Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

Карпенко С.В.

В настоящей работе сделана попытка построить схему реконструктивных фазовых превращений, протекающие в кристаллах под действием высокого давления, опираясь на теорию протекания [1] и гипотезу подобия [2], успешно используемые в теории фазовых переходов второго рода.

Переход из исходной фазы, термодинамически устойчивой при p = 0 T = 0, в фазу высокого давления сопровождается соответственно увеличением плотности или энтропии. Среди классификации полиморфных превращений по каким-либо свойствам: термодинамическим, кристаллографическим, по номеру координационной сферы, в которой происходит изменение числа узлов и др. [4, 5] имеется и кинетическая классификация. Она с некоторой степенью условности разделяет переходы на быстрые и медленные. Из двух кинетических механизмов фазовых переходов: диффузионного (с активацией отдельных атомных частиц и преодолением энергетических барьеров каждым атомом или молекулой индивидуально) и мартенситного (с кооперативной перестройкой кристаллической решетки) каждый из них в зависимости от внешних условий может быть как быстрым, так и медленным. Широкий диапазон изменения давления при фазовом превращении является одним из свидетельств сложности кинетики перехода, при которой мартенситная перестройка может быть лишь одной из промежуточных стадий полного превращения [6].. Действию мартенситного механизма предшествует снятие этих барьеров путем однородной деформации кристаллической решетки. При диффузионном механизме барьеры преодолеваются за счет кинетической энергии структурных частиц. При сжатии твердого тела возрастают силы межмолекулярного взаимодействия частиц. Соответственно уменьшается сжимаемость и возрастают активационные барьеры для перемещений и поворотов молекул на большие расстояния и углы.

Согласно нашей модели фазовый переход начинает развиваться в поверхностной области кристалла. Как известно, внешнее давление изменяет соотношение между радиусами частиц, слагающих элементарную ячейку, что приводит к изменению кристаллической сингонии, так как энергетически выгоднее становится более плотноупакованная структура. Подобная трансформация с большей вероятностью может произойти на поверхности кристалла. В результате возникает зародыш новой фазы, который представляет собой макроскопическое образование со счетным числом частиц (кластер). Зарождение кластеров происходит стохастически вблизи дефектных областей поверхности.

Законы образования таких кластеров нам неизвестны, однако, можно предположить, что первоначально протекают наиболее быстрые процессы, которые отвечают образованию кластеров с минимальной энергией связи, то есть отвечающие преодолению барьеров минимальной высоты f [3]. После завершения этого этапа начинают складываться кластеры, энергия образования которых больше. Эти образования состоят из большего числа частиц, чем образовавшиеся на предыдущей энергетической стадии. При увеличении концентрации новой фазы данный процесс может идти вплоть до x = 1, где x - концентрация образующейся фазы в системе. В пределах определенного строения кластеров (число частиц, конфигурация) и их энергии связи можно выделить тот или иной класс, или уровень, к которому можно отнести данный кластер. Классификацию таких уровней можно вести как по строению кластеров, так и по величине энергии их образования и распространить ее не только на отдельные кластеры, но и на всю систему «фаза низкого давления - фаза высокого давления» в целом.

Вполне естественно предположить, что ряд уровней будет обладать физическими свойствами, отличными от кластеров предыдущих или последующих уровней. Данное различие может проявиться в электрических, термодинамических и других свойствах системы. Например, в случае перекрытия геометрических областей кластеров образуется проводящая цепочка, которая изменяет характер теплофизических свойств всей системы, а также позволяет провести идентификацию фазы высокого давления.

Пока расстояние между двумя ближайшими кластерами меньше некоторого критического, характеризуемого радиусом корреляции ρ, который определяется согласно выражению f( f- среднее число узлов в кластере, f- средний объем, приходящийся на частицу в кластере), критическая доля объема ξ новой фазы недостаточна для образования нового кластера. Существует критическое значение fобъема новой фазы, определяемое следующим образом f. При f начинается слияние кластеров, которое приводит к образованию канала протекания. Слияние последних образует тонкую пленку новой фазы. В дальнейшем процесс развивается внутрь образца, приводя к появлению кластеризованных областей новой фазы по всему объему кристалла.

Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия отечественной науке.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Шкловский Р.Э., Эфрос А.Л. //УФН. 1975. т. 117. с. 401.
  2. Hankey A., Stanly H.E. //Phys. Rev. 1976. v. 6. p. 3515.
  3. Олемской А.И., Фиат А.Я. //УФН. 1993. т. 163. № 12. с. 3.
  4. Buerger M.J. //Proc. Of the Symp. On Mechanisms of pfase transition. N.Y., 1971. V. 7. P. 1.
  5. Курдюмов А.В., Пилянкевич А.Н. Фазовые превращения в углероде и нитриде бора. Киев: Наукова Думка, 1979.
  6. Кузнецов Н.М. //Ударные волны и экстремальные состояния вещества. М.: Наука, 2000. С. 174.