Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,686

СИНТЕЗ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ (PbS)1-X(СЕ)X (Х=0,01-0,7)

Aхмедов O.Р. 1 Исмаилов Ф.И. 2 Алиев И.И 3 Гасымов В.А. 3 Мамедова И.Т. 2
1 Нахичеванское отделение НАН Азербайджана
2 Институт физики им. Г.Б. Абдуллаева НАН Азербайджана
3 Институт катализа и неорганической химии им. акад. М.Ф. Нагиева НАН Азербайджана
Методами физико-химического анализа дифференциально-термического (ДТА), рентгенофазового (РФА), микроструктурного (МСА), а также измерением микротвердости и плотности изучены характер взаимодействия в система (PbS)1-x(Се)x и построена ее микродиаграмма. Изучено влияние элемента Се на физико-химические свойства соединения PbS. Установлено, что в системе (PbS)1-x(Се)x на основе PbS растворяется 5.2 мол. % Се. В системе (PbS)1-x(Се)x образуется эвтектика состав которой составляет 65 ат. % Се и температура плавления 730oC. Для сплава из области твердых растворов проводился рентгенофазовый анализ и рассчитаны параметры решетки. Установлено, что сплавы, образующие твердые растворы на основе PbS кристаллизуются в структуре кубической сингонии.
фазовая диаграмма
эвтектика
квазибинарный
солидус.
1. Гудаев O.A., Пауль Э.Э., Седельников А.П. Локальная неоднородность фоточувствительности химически осажденных слоев PbS // Автометрия. – 1989. – № 5. – С.118-120.
2. Карпинский О.Г., Авилов Е.С., Кретова М.А. и др. Анизотропные термоэлектрические свойства слоистых соединений PbSb2Te4 и PbBi4Te7 // Неорганические материалы. – 2007. – Т. 43. – № 2. – С.125-128.
3. Охотин А.С., Пушкарский А.С. Методы исследования характеристик термоэлектрических материалов преобразователей. – М.: Наука, 1974. – 167 с.
4. Равич Ю.П., Ефимова Б.А., Смирнова И.А. Методы исследования полупроводников в применении к халькогенидам свинца PbS, PbSe и PbTe. – М.: Наука, 1968. – 394 с.
5. Угай Я.А., Яценко О.Б., Семенов В.Н. и др. Фотоэлектрические свойства пленок, содержащих CdS и PbS // Полупроводниковые материалы и их применение. – Воронеж: Изд-во Воронеж. ун-та, 1974. – С. 188-192.
6. Физико-химические свойства полупроводниковых веществ: справочник. – M.: Наука, 1979. – 399 с.
7. Noda Y., Masumoto K., Ohba S., Salto Y. et al. Temperature dependence of atomic thermal parameters of lead chalcogenides, PbS, PbSe and PbТе // Acta Crystallogr., Sec. C: Cryst. Struct. Commun. – 1987. – V. 43. – P. 1413-1416.

Bведение

Известно, что соединение PbS и твердые растворы на его основе используются как фоточувствительные так термоэлектрические материалы [1,4,5]. Введением разных примесей в состав PbS термоэлектрический материал меняет свой знак. В рядах халькогенидов свинца PbS → PbSe → PbTe термоэлектрические свойства постепенно повышаются [2, 3]. Поиск новых фоточувствительных и термоэлектрических материалов имеет научное и практическое значение. С этой целью представляет интерес изучение влияния редкоземельного элемента церия – (Се) на свойства соединения PbS. Ранее нами изучены влияние элементов на физико-химические свойства соединения PbS.

Целью настоящей работы является изучение химического взаимодействия в системе (PbS)1-x(Се)x, определение области твердых растворов и изучение физико-химических свойств сплавов.

Соединение PbS плавится конгруэнтно при 1113oC [6] и кристаллизируется в кубической сингонии, с параметрами решетки, а = 5,914; Z = 4, пр. гр. Fm3m – O5h, плотность ρ = 7,68 г/см3, микротвердость Hμ=720 MПa [7].

Материалы и методы исследования

Для синтеза сплавов системы (PbS)1-X(Се)X использовали элементы: свинец чистота 99,98, церий 99,97 и сера марки «ОСЧ». Сплавы системы синтезировали из компонентов PbS и Се в эвакуированных до 0,1333 Па кварцевых ампулах при 1100-1200оС. Для достижения равновесного состояния сплавы отжигали при 400оС в течение 560 ч.

Полученные сплавы системы (PbS)1-x(Се)x исследовались методами физико-химического анализа: дифференциально-термическим анализом (ДТА), рентгенфазовым (РФA), микроструктурным (MСA), а также посредством измерения плотности и микротвердости. Дифференциальный термический анализ (ДТА) проводился в термографе «Termoskan-2». В качестве эталона использовалось соединение Al2O3 и скорость нагрева была 100С/мин.

Рентгенфазовый анализ проводился на рентгенодифрактометре «D2 PHASER». Для исследования были использованы Cu Кα излучение и никелевый (Ni) фильтр. Микроструктурный анализ (MСA) проводился на металлографическом микроскопе “МИМ-8”. Для выявления фазовых границ в качестве травителя был использован раствор следующего состава: 10 мл Н2SO4 + 5г К2Cr2O7+ 90 мл Н2О.

Микротвердость сплавов измеряли с подошью микроскопа «ПМТ–3». Для каждой фазы определяли зависимость микротвердости от состава. Плотность сплавов определяли пикнометрическим методом, в качестве рабочий жидкости использовали толуол.

Результаты исследования
и их обсуждение

Сплавы системы (PbS)1-x(Се)x получаются в виде компактных слитков серебристо-серого цвета. Сплавы системы устойчивы по отношению к воздуху, воде и органическим растворителям. Сильные минеральные кислоты (HNO3 , H2SO4) интенсивно разлагают их.

ДТА сплавов системы (PbS)1-x(Се)x показал, что термические эффекты, наблюдаемые в термограммах образцов, являются обратимыми. На термограммах сплавов наблюдались термические эффекты двух видов.

Результаты анализа микроструктуры сплавов системы (PbS)1-x(Се)x показали, что сплавы с содержанием Се в интервале 0÷5,2 ат.% Се – однофазные, а остальные – двухфазные.

Микротвердость сплавов системы измеряли на микротведомере ПМТ-3 с нагрузкой 0,15 Н.

Результаты измерения микротвердости сплавов показывают, что c увеличением содержания Се микротвердость сплавов (PbS)1-x(Се)x увеличивается по отношению чистому PbS 950 МПа до 5,2 ат. % Се (720-850) МПа, а затем остается постоянной не зависимо от состава. Это указывает на то, что на основе PbS растворяется до 5,2 ат. % Ce.

Для уточнения области твердого раствора были синтезировали сплавы, содержащие 3, 5, 6 и 10 ат. % Се и выдерживали их в течение 200 часов 200 и 400оС соответственно и резко охлаждали в ледяной воде. Затем на этих образцах проведен микроструктурный анализ. В результате было установлено, что при комнатной температуре на основе PbS растворяется 5,2 ат. % Се, а при 7300С – 12 ат. % Се.

Для подтверждения результатов ДТА и MСA был проведен рентгенфазовый анализ сплавов системы (PbS)1-x(Се)x. Были построены рентгенограммы сплавов, содержащие 3, 5 и 30 ат. % Се (рис.1).

missing image file

Рис. 1. Дифрактограммы сплавов системы (PbS)1-x(Ce)x.
1-PbS, 2-3, 3-5, 4-10, 5-30, 6-100 мол. % Ce

В результате исследований рассчитывали межплоскостные расстояния и интенсивность максимумов дифракции, и сравнивали с рентгенограммой исходных компонентов. Было установлено, что сплавов, содержащих 0÷5 ат. % Се изоструктурны с соединениями PbS. Сплавы этой области являются твердыми растворами. Остальные сплавы системы – двухфазные.

Установлено, что рентгенограммы 30 ат. % Се состоит из смесей линии исходных соединений (рис. 1). Для сплавов из области твердых растворов содержащих 3 и 5 ат. % Се рассчитаны параметры элементарной ячейки.

Было установлено, что сплавы твердых растворов изоструктурны с PbS и кристаллизируются в структуре кубической решетки.

Рентгеновские данные сплавов системы (PbS)1-x(Се)x (х= 0,03; 0,05) образующие твердые растворы, приведены в таблице 1. Параметры решетки сплавов системы (PbS)1-x(Се)x содержащих 3 и 5 ат. % Се – соответственно равны: a = 5,92 Ǻ, a = 5,95 Ǻ

Таблица 1

Рентгенографические данные твердых растворов (PbS)1-x(La)x (х = 0,03; 0,05)

97 % PbS-3% Ce

95 % PbS-5% Ce

I

dэкс.

dвыч.

hkl

I

dэкс.

dвыч.

hkl

1

72

3,4216

3,4179

111

80

3,4424

3,4360

111

2

100

2,9580

2,9604

200

100

2,9748

2,9748

200

3

29

2,0942

2,0933

220

27

2,1048

2,1036

220

4

13

1,7895

1,7849

311

12

1,7940

1,7940

311

5

4

1,7102

1,7090

222

5

1,7192

1,7175

222

6

2

1,4484

1,4800

400

3

1,4881

1,4875

400

7

2

1,3636

1,3582

331

1

1,3689

1,3650

331

8

2

1,3290

1,3237

420

2

1,3305

1,3309

420

Таблица 2

Зависимость физико-химических свойств сплавов системы (PbS)1-х(Се)х
от количества элемента Се

Состав, мол %

Эффекты

температуры

нагревания, ˚С

Плотность,

103 кг/m3

Микротвердость фаз, МПа

PbS

Се

α

Се

P=0,10 Н

P=0,20 Н

100

0,0

1113

7,60

720

-

97

3,0

1075, 1113

7,50

780

-

95

5,0

1025, 1110

7,37

850

-

93

7,0

980, 1110

7,45

860

-

90

10

910, 1100

7,37

860

-

80

20

730, 1085

7,35

860

-

70

30

730, 1055

7,30

860

-

60

40

730, 1010

7,22

860

-

50

50

730, 940

7,10

860

-

40

60

730, 835

6,95

-

-

35

65

730

6,88

Эвтектика

Эвтектика

30

70

730, 815

6,82

-

2250

0,0

100

840

6,73

-

2250

В элементарной решетке находятся четыре формулы Z = 4. Пикнометрические и рентгенографические плотности сплавов с 3 и 5 ат. % Ce соответственно равны:
ρпик. = 7,52 г/см3, ρрентг. = 7,56 г/см3; ρпик. =7,37 г/см3, ρрентг. = 7,39 г/см3.

Диаграмма состояния системы (PbS)1-x(Се)x, построенная по данным физико-химического анализа представлена на рис.2.

missing image file

Рис. 2. Диаграмма состояния системы
(PbS)1-x(Се)x (0,01-0,7).

Ликвидус системы состоит из кривых первичного выделения α-фазы и Ce. В системе (PbS)1-x(Ce)x образуется эвтектика составляет которой 65 ат. % Се при температуре плавления 730оC. В таблице 2. приведены результаты некоторых физико-химических свойств сплавов системы (PbS)1-x(Се)x. В результате измерений микротвердости сплавов системы получены два ряда значений микротвердости (таблица 2). Значения микротвердости (720-850) МПа соответствуют микротвердости α-твердого раствора на основе PbS, а значение 2250 МПa соответствует микротвердости элемента Се.


Библиографическая ссылка

Aхмедов O.Р., Исмаилов Ф.И., Алиев И.И, Гасымов В.А., Мамедова И.Т. СИНТЕЗ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ (PbS)1-X(СЕ)X (Х=0,01-0,7) // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 2-2. – С. 262-265;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=6448 (дата обращения: 23.05.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252