Процеси переносу заряду, маси та тепла в композиті FeNi

  • Л.О. Пащенко Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, 61022, майдан Свободи. 4, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-9008-6252
  • В.В. Богданов Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, 61022, майдан Свободи. 4, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0003-2634-3549
  • Р.В. Вовк Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, 61022, майдан Свободи. 4, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-9008-6252
  • С.В. Дукаров Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, 61022, майдан Свободи. 4, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-3527-3661
  • М.В. Кислиця Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, 61022, майдан Свободи. 4, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-4143-7650
  • С.В. Петрушенко Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, 61022, майдан Свободи. 4, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-7727-9527
  • В.М. Сухов Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, 61022, майдан Свободи. 4, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0001-5784-5248
  • Г.Я. Хаджай Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, 61022, майдан Свободи. 4, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-1257-8702
  • І.Л. Гулатіс Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, 61022, майдан Свободи. 4, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-9008-6252
  • Е.С. Геворкян Український державний університет залізничного транспорту, 61050, Харків, пл. Феєрбаха, 7 https://orcid.org/0000-0003-0521-3577
  • С.Р. Вовк Український державний університет залізничного транспорту, 61050, Харків, пл. Феєрбаха, 7 https://orcid.org/0000-0003-1580-5306
  • A. Feher Centre of Low Temperature Physics, Faculty of Science,P.J. Safarik University, Park Angelinum 9, 041 54 Kosice, Slovakia https://orcid.org/0000-0001-8845-4709
  • Junyi Du Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, 61022, майдан Свободи. 4, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-9147-4484
  • J.N. Latosińska https://orcid.org/0000-0002-9008-6252
Ключові слова: електроконсолідований композит, низькі температури, електричний опір, теплопровідність, межі Hashin-Shtrikman, трифазна система, межзеренне середовище.

Анотація

У роботі представлено дослідження процесів взаємної дифузії в бінарній системі Fe - Ni (отриманій електроконденсацією порошків нікелю і заліза) методом рентгенівської енергодисперсійної спектроскопії, а також процесів тепло- і електропровідності в температурному інтервалі 5-300 К. Виявлено добре розділені області майже чистого заліза і нікелю. Вміст нікелю, оцінений за концентраційною залежністю коефіцієнта взаємної дифузії, що визначає кінетику процесу гомогенізації електроконсолідованого зразка композиту Fe - Ni, склав ~ 70 ат. %. Значення коефіцієнта взаємної дифузії електроконсолідованого композиту Fe - Ni значно вище, ніж у сплаву аналогічного складу, що, ймовірно, є результатом впливу технології SPS (тиск і струм в одному напрямку під час консолідації), а також значного вкладу зернограничного дифузійного масопереносу в композиті. Встановлено, що електро- і теплопровідність електроконсолідованого зразка істотно вищі, ніж у зразків того ж складу, отриманих плавлінням. Виявлено, що температурні залежності електроопору електроконсолідованого зразка в дослідженому інтервалі 5-300 К обумовлені розсіюванням електронів на дефектах і на фононах, причому розсіювання електронів на фононах можна з високою точністю апроксимувати співвідношення Блоха-Грюнайзена-Вільсона. В роботі показано, що експериментальні дані про температурні залежності ефективних електричного опору та теплопровідності в інтервалі 4.2-300 К електроконсолідованого композиту Fe0.50Ni0.50 знаходяться всередині меж Hashin-Shtrikman для провідностей трифазної системи. Складовими системи є чисті Fe та Ni, а в якості третьої фази розглянуте межзеренне середовище у вигляді сплаву з середнім складом, близьким до Fe0.50Ni0.50.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

1. E.A. Perigo, B. Weidenfeller, P. Kollar, and J. Fuzer / Applied Physics Reviews 5, 031301 (2018).
2. O.V. Dobrovolskiy, M. Huth, V.A. Shklovskij and R.V. Vovk, Scientific Reports /7:13740/ DOI:10.1038/s41598-017- 14232-z.
3. A.L. Solovjov, E. V. Petrenko, L. V. Omelchenko, R.V. Vovk, I. L. Goulatis, A. Chroneos / Scientific Reports (2019) 9:9274 https://doi.org/10.1038/s41598-019-45286-w.
4. R.V. Vovk, A.L Solovyov / Low Temperature Physics 44, 81 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5020905.
5. O.V. Dobrovolskiy, R. Sachser, T. Brächer, T. Fischer,
V.V. Kruglyak, R.V. Vovk, V.A. Shklovskij, M. Huth, B. Hillebrands, and A.V. Chumak / Nature Physics 15, 477-482 (2019).
6. M.A. Hadi, R.V. Vovk and A. Chroneos // Journal of Materials Science: Materials in Electronics (2016) 27: 11925-11933 DOI 10.1007/s10854-016-5338-z.
7. O.V. Dobrovolskiy, V.M. Bevz, M.Yu. Mikhailov, O.I. Yuzephovich, V.A. Shklovskij, R.V. Vovk, M.I. Tsindlekht,R. Sachser, and M. Huth / Nature Communications (2018) 9:4927 DOI:10.1038/s41467-018-07256-0.
8. A.L. Solovjov, L.V. Omelchenko, E.V. Petrenko, R.V. Vovk,
V.V Khotkevych, and A. Chroneos / Scientific Reports (2019) 9:20424. https://doi.org/10.1038/s41598-019-55959-
9. N. Kuganathan, A. Kordatos, M.E. Fitzpatrick, R.V. Vovk, A. Chroneos // Solid State Ionics (2018) 327:93-98.
10. N. Kuganathan, P. Iyngaran, R. Vovk, and A. Chroneos / Scientific Reports (2019) 9:4394 https:doi.org/10.1038/ s41598-019-40878-y.
11. Li, A., Zhu, Z., Liu, Y., & Hu, J. Materials Research Bulletin, 110845 (2020). https://doi.org/10.1016/j. materresbull.2020.110845
12. Nagayama, T., Yamamoto, T., & Nakamura, T. (2017, May). 37‐3: Low Thermal Expansion and Fine‐Pitch Metal Masks Fabricated via Invar Fe‐Ni Alloy Electroforming for Large Fine‐Pitch OLED Displays. In SID Symposium Digest of Technical Papers (Vol. 48, No. 1, pp. 527-530). https://doi. org/10.1002/sdtp.11692
13. Liu, J., Liu, H., Tian, X., Yang, H., & Hao, J. Journal of Alloys and Compounds, 822, 153708 (2020). https://doi. org/10.1016/j.jallcom.2020.153708
14. Chen, T., Yu, J., Ma, C., Bikane, K., & Sun, L. Chemosphere, 248, 125964 (2020).. https://doi.org/10.1016/j. chemosphere.2020.125964
15. Cai, N., Yang, H., Zhang, X., Xia, S., Yao, D., Bartocci, P., ... & Williams, P. T. Waste Management, 109, 119-126 (2020).. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2020.05.003
16. Zhang, Z., Cong, L., Yu, Z., Qu, L., & Huang, W. Materials Today Energy, 16, 100387 (2020). https://doi.org/10.1016/j. mtener.2020.100387
17. Wu, Y., Yi, Y., Sun, Z., Sun, H., Guo, T., Zhang, M., ... & Sun, J. Chemical Engineering Journal, 390, 124515 (2020). https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.124515
18. Fan, A., Qin, C., Zhang, X., Yang, J., Ge, J., Wang, S., ... & Dai, X. Journal of Materials Chemistry A, 7(42), 24347- 24355 (2019). https://doi.org/10.1039/C9TA08594G.
19. Zhang, G., Wang, G., Liu, H., Qu, J., & Li, J. Nano Energy, 43, 359-367 (2018). https://doi.org/10.1016/j. nanoen.2017.11.035.
20. Ji, L., Zhang, L., Yang, X., Zhu, X., & Chen, L. Dalton Transactions, 49(13), 4146-4154 (2020). https://doi. org/10.1039/D0DT00230E.
21. Gao, S., Wang, H., Wang, X., Liu, H., He, T., Wang, Y., ... & Yan, M. Journal of Alloys and Compounds, 154631 (2020). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.154631
22. Sarkar, S., Biswas, A., Purkait, T., Das, M., Kamboj, N., & Dey, R. S. Inorganic Chemistry, 59(7), 5194-5205 (2020). https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.0c00446
23. Zhu, X., Zhang, D., Chen, C. J., Zhang, Q., Liu, R. S., Xia, Z., ... & Lu, X. Nano Energy, 71, 104597 (2020). https://doi. org/10.1016/j.nanoen.2020.104597
24. Goto, S., Kura, H., Watanabe, E., Hayashi, Y., Yanagihara, H., Shimada, Y., ... & Kita, E. Scientific reports, 7(1), 1-7
(2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-13562-2
25. Kurichenko, V. L., Karpenkov, D. Y., Karpenkov, A. Y., Lyakhova, M. B., & Khovaylo, V. V. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 470, 33-37 (2019).. https://doi. org/10.1016/j.jmmm.2017.11.040
26. Bernard F., Le Gallet S., Spinassou N., Paris S., Gaffet E., Woolman J.N., and Munir Z.A. Science of Sintering. 2004,
№ 36, р. 155-164.
27. Скороход В.В., Рагуля А.В. Порошковая металлургия. 1994, № 3-4. с. 3-10. (in Russian).
28. Bourell D.L., Groza J.R. Powder Metallurgy. ASM Handbook. 7, 504 (1998).
29. Гегузин Я.Е. Физика спекания. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Наука. – 1984. – 312 с. (in Russian).
30. V.Y. Kodash, J.R. Groza, K.C. Cho, B.R. Klotz, R.J. Dowding. Materials Science and Engineering A 385 (2004) 367–371. doi:10.1016/j.msea.2004.06.075
31. Aslan E, Camuşcu N. and Birgören B. Materials & Design. 28, Is. 5, 1618 (2007). https://doi.org/10.1016/j. matdes.2006.02.006
32. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. – М.: Металлургия.
– 1978. – 248 с. (in Russian).
33. Kohn A., Levasseur J., Philibert J., and Wanin M. Acta Met., 18, 163 (1970). https://doi.org/10.1016/0001- 6160(70)90080-5
34. Угасте Ю.Э., Коденцов А.А. и ван Лоо Ф. The Physics of Metals and Metallography, 88(6), 88-94 (1999) (in Russian). https://www.researchgate.net/publication/279625762
35. Badia, M., “Interdiffusion of Fe and the Transition Metals,” (in French) Ph.D. Thesis, Univ. Nancy, France, (1969), 85 pp.
36. J.I. Goldstein, R.E. Hanneman and R.E. Ogilvie, Trans. metall. Soc. AMIE, 1965, V. 233, p. 812.
37. Berman R. Thermal Conduction of Solids. Clarendon Press. Oxford. 1976.
38. Ho, C.Y. et al. Electrical resistivity of ten selected binary alloy systems. J. Phys. Chem. Ref. Data 12, 183 (1983).
39. Ho, C.Y., Ackerman, M.W., Wu, K.Y., Oh, S.G. & Havill,
T.N. Thermal conductivity of ten selected binary alloy systems. J. Phys. Chem. Ref. Data 7, 959–1177 (1978).
40. А. М. Ермолаев, Б. А. Мерисов, В. И. Хоткевич, ФММ, 24:1104 (1967).
41. Б.А. Мерисов, Г.Я. Хаджай, П.Н. Вьюгов, О.Е. Кожевников. Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 33, 301 (2011).
42. В.А. Перваков. Низкотемпературная теплопроводность металлов с дефектами. Харьков: Гос. спец. изд-во
«Основа». 1993.
43. Ю. Каган, А. П. Жернов, ЖЭТФ, 50:1107 (1966).
44. А. М. Ермолаев, ФММ, 23: 813 (1967).
45. Jin, K., Sales, B., Stocks, G. et al. Tailoring the physical properties of Ni-based single-phase equiatomic alloys by modifying the chemical complexity. Sci Rep 6, 20159 (2016). https://doi.org/10.1038/srep2015946. Rossiter P.L. The Electrical Resistivity of Metals and Alloys. Cambridge UniversityPress, 1987.
47. Z. Hashin and S. Shtrikman. A variational approach to the theory of the effective magnetic permeability of multiphase materials. J. Appl. Phys., 33:3125–3131 (1962).
48. Wilson, A. H. The electrical conductivity of the transition metals. Proc. Roy. Soc. (London) A 167, 580–593 (1938).
49. L. Colquitt, Jr. Electrical and Thermal Resistivities of the Nonmagnetic Transition Metals with a Two-Band Model. Journal of applied Physics V.36 N.8. 1965.
50. G.W. Webb. Low-Temperature Electrical Resistivity of Pure Niobium. Phys. Rev. 181, 1127 (1969).
51. Banerjee, S. & Raychaudhuri, A. K. Electrical resistivities
of γ-phase FexNi80−xCr20 alloys. Phys. Rev. B 50, 8195–8206 (1994).
52. Kao, Y. et al. Electrical, magnetic and Hall properties of AlxCoCrFeNi high-entropy alloys. J. Alloy. Comp. 509, 1607–1614 (2011).
53. О.А. Гавренко, Б.А. Мерисов, Г.Я. Хаджай. Металлофизика, 1995, т. 17, N 11. C. 51 - 53. (Met. Phys. Adv. Tech., 1996, Vol. 15, pp. 1215-1219
54. J.M. Ziman. Electrons and Phonons. The Theory of Transport Phenomena in Solids. Oxford at the Clarendon Press, 1960.
55. N.V. Volkenshtein, V.P. Dyakina, and V.E. Startsev. Scattering Mechanisms of Conduction Electrons in Transition Metals at Low Temperatures. Phys. Stat. Sol. (b) 57, 9 (1973).
56. J.-F. Lin and J.P. Bird, L. Rotkina, A. Sergeev and V. Mitin. Large effects due to electron–phonon-impurity interference in the resistivity of Pt/C-Ga composite nanowires. App. Phys. Lett., V. 84, № 19, 3828-3830 (2004).
57. S.S. Yeh, J.J. Lin, Jing Xiunian, Zhang Dianlin. Electron-
phonon-impurity interference effect in disordered Au56Pd44 and IrO2 thick films. Phys. Rev. B 72, 024204 (2005).
58. M.Yu. Reizer and A.V. Sergeev. The effect of the electron- phonon interaction of the conductivity of impure metals. Zh. Eksp. Teor. Fiz. 92, 2291-2304 (1987) [Sov. Phys. JETP 65 (6), 1291- 1298 (1987)]
59. Y. Tanji. Debye Temperature and Lattice Deviation of Fe-Ni (fcc) Alloys. Journal of the Physical Society of Japan, V. 30,
№ 1, 133-138 (1971).
60. Bernard F., Le Gallet S., Spinassou N., Paris S., Gaffet E., Woolman J.N., and Munir Z.A. Science of Sintering. 2004,
№ 36, р. 155-164.
61. Bourell D.L., Groza J.R. Powder Metallurgy. ASM Handbook. 7, 504 (1998).
62. Aslan E, Camuşcu N. and Birgören B. Materials & Design. 28, Is. 5, 1618 (2007). https://doi.org/10.1016/j. matdes.2006.02.006
63. Z. Hashin, S. Shtrikman. A Variational Approach to the Theory of the Effective Magnetic Permeability of Multiphase Materials.Journal of Applied Physics 33, № 10, p. 3125- 3131 (1962); https://doi.org/10.1063/1.1728579
64. P.L. Rossiter. The electrical resistivity of metals andalloys. Cambridge University Press, 1987. doi:10.1017/ CBO9780511600289
65. Г. Хаджай, С. Вовк, Р. Вовк, Э. Геворкян, Н. Зубенко, М. Кислица, В. Чишкала, A. Feher, P. Kollar, J. Fuzer. Электро- и теплопроводность FeNi при низких температурах. ФНТ, 46, № 9, с. 1110-1114 (2020).
66. Ho, C.Y. et al. Electrical resistivity of ten selected binary alloy systems. J. Phys. Chem. Ref. Data 12, 183 (1983).
67. Ho, C.Y., Ackerman, M.W., Wu, K.Y., Oh, S.G. & Havill,
T.N. Thermal conductivity of ten selected binary alloy systems. J. Phys. Chem. Ref. Data 7, 959–1177 (1978).
68. Jin, K., Sales, B., Stocks, G. et al. Tailoring the physical properties of Ni-based single-phase equiatomic alloys by modifying the chemical complexity. Sci Rep 6, 20159 (2016). https://doi.org/10.1038/srep20159
69. V.V. Bogdanov, R.V. Vovk, S.V. Dukarov, M.V. Kislitsa, S.I. Petrushenko, V.N. Sukhov, G.Ya. Khadzhai, Y.L. Goulatis,
S.R. Vovk, E.S. Gevorkyan, A.Feher, P. Kollar, J. Fuzer, J.N.Latosińska / Electron microscopic study of interdiffusion in equiatomic Fe-Ni composite // Acta Physica Polonica N1, vol.139 (2021) p.p.62-65.
Опубліковано
2022-11-04
Як цитувати
Пащенко, Л., Богданов, В., Вовк, Р., Дукаров, С., Кислиця, М., Петрушенко, С., Сухов, В., Хаджай, Г., Гулатіс, І., Геворкян, Е., Вовк, С., Feher, A., Du, J., & Latosińska, J. (2022). Процеси переносу заряду, маси та тепла в композиті FeNi. Вісник Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна. Серія «Фізика», (37), 7-20. https://doi.org/10.26565/2222-5617-2022-37-01

Найбільш популярні статті цього автора (авторів)