WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 7 Теплопроводность NaCl, находящегося в хаотически расположенных каналах пористого стекла © Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, А.В. Фокин, Х. Мисиорек, Я. Муха, А. Ежовский Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт низких температур и структурных исследований Польской академии наук, 50-950 Вроцлав, Польша E-mail: igor.smirnov@pop.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 26 октября 2004 г.) Полученные нами ранее в интервале температур 25-300 K экспериментальные данные по теплопроводности пористого стекла и композита „пористое стекло + NaCl“ проанализированы с несколько иных позиций.

Показано, что теплопроводность хлористого натрия в хаотически расположенных наноканалах пористого стекла ведет себя так же, как сильно разупорядоченная кристаллическая система, которую можно описать в рамках модели Эйнштейна для теплопроводности твердых тел.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-0217657) и Польского государственного комитета по научным исследованиям KBN (грант N 3 T08A 054 26).

В нашей работе [1] при исследовании в интерва- На рис. 1 приведены температурные зависимости их ле температур 5-300 K теплопроводности композита теплопроводностей, полученные в [1]. Из работы [1] „пористое боросиликатное стекло + NaCl“ ( ) был были заимствованы также сведения о структурных осоcomp получен интересный результат: в интервале 5-25 K бенностях и значения некоторых физических параметров теплопроводность композита и пористого стекла ( ) композита, которые оказались необходимыми для аналиpg оказались равны ( = ). за экспериментальных данных по его теплопроводности.

comp pg Анализ полученных экспериментальных данных пока- Натрий-боросиликатные стекла состоят из SiO2, B2O3 зал, что в этой области температур теплопроводность и Na2O3, причемна долюSiO2 приходится от 80 до 96% NaCl, находящегося в наноканалах пористого стекла объема образца. При химическом вытравливании проис( ), намного меньше теплопроводности матрицы ходит удаление из исходного стекла окислов натрия и NaCl ( ) и поэтому вносит незначительный вклад бора с образованием пористого стекла, которое можно NaCl pg в. Выяснению физических причин, приводящих к comp малым значениям при 5-25 K, и была в основном NaCl посвящена работа [1].

В интервале 25-300 K оказалась больше, как comp pg это и должно быть в обычных композиционных материалах. Поэтому в [1] анализу поведения (T ) для этого comp интервала температур не было уделено достаточного внимания.

В [2] при 5-300 K мы исследовали особенности поведения теплопроводности NaCl в нанокомпозите „опал + NaCl“ при 100% заполнении хлористым наop трием пустот первого порядка опала ( ), которые NaCl образуют плотноупакованную гранецентрированную кубическую решетку.

Представляло интерес сравнить в том же температурном интервале характер поведения теплопроводности NaCl, занимающего регулярные пустоты опала и находящегося в виде кластеров в хаотически расположенных наноканалах пористого стекла. Для этого в настоящей работе мы более подробно проанализировали полученные в [1] экспериментальные данные для теплопроводности пористого стекла и композита „пористое стекло + NaCl“, относящиеся к интервалу температур 25-300 K.

Рис. 1. Температурные зависимости теплопроводности [1] Методика приготовления образцов пористого стекла боросиликатного пористого стекла (1) и композита „пористое и композита „пористое стекло + NaCl“ описана в [1]. стекло + NaCl“ (2).

1208 Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, А.В. Фокин, Х. Мисиорек, Я. Муха, А. Ежовский представить в виде совокупности тесно примыкающих Существенно различаются также размеры и расподруг к другу шаров аморфного SiO2 с различными ложение пустот, образующихся между сферами SiO2 в диаметрами. Пространство между этими шарами (по- опалах и пористых стеклах. В решетке опала имеютристость) может составлять в стеклах 20-30% от ся пустоты октаэдрического и тетраэдрического типов, объема образца, а диаметры хаотически расположен- связанные между собой посредством рупорообразных каналов, „шейки“ (узкие места) которых составляют ных пор (каналов) могут колебаться в пределах от 100. При этом по аналогии с порядковым номером до 150. Для исследованных в [1] образцов пористого аморфных сфер SiO2 пустоты также подразделяются на стекла диаметр каналов составлял 70.

пустоты первого, второго и третьего порядков. Средние Композит „пористое стекло + NaCl“ в [1] был получен диаметры октаэдрических, тетраэдрических пустот и путем погружения образца пористого стекла в водный каналов первого порядка соответственно равны 800, раствор NaCl. При этом NaCl занимал в нем 1/4 от 400 и 300. Причем пустоты первого порядка опала, объема пор.

так же как и аморфные сферы SiO2, образуют граКристаллическая структура опала также конструинецентрированные кубические решетки с параметрами руется из аморфных сфер SiO2 [2,3]. Однако можно 3000-4000. Пустоты первого порядка опала с повыделить два существенных отличия от случая пористых мощью различных методов [2,3] можно на 100% заполстекол.

нять разными наполнителями и конструировать таким 1) Аморфные сферы SiO2, образующие опал, имеют образом на основе опала трехмерные нанокомпозиты сложный характер. Кристаллическая структура опала „опал + наполнитель“, которые можно представить в представляет собой плотноупакованные аморфные сфевиде двух вставленных друг в друга кубических решеток ры SiO2 одного диаметра (чаще всего 2000-2500 ), матрицы и наполнителя.

которые принято называть сферами первого порядка.

В настоящей работе нас будут интересовать данные о Они содержат набор плотноупакованных аморфных сфер поведении теплопроводности NaCl, введенного в пустоменьшего размера 300-400 (сферы второго порядты нанокомпозита „опал + NaCl“ [2].

ка), которые формируются также из плотноупакованных В работах, посвященных анализу экспериментальных аморфных частиц размером 100 (сферы третьего данных по теплопроводности опалов [4], нанокомпозитов порядка).

на их основе и наполнителей, расположенных в пустотах 2) Аморфные сферы SiO2 первого порядка образуют первого порядка опалов (PbSe [5], HgSe [6], NaCl [1]), гранецентрированные кубические решетки с гигантскииспользовалась формула Литовского [7] ми параметрами ( 3000-4000 ).

/ =(1 - p) 1 - p + p, (1) comp mat где = / ; и — соответственно теплоpor mat comp mat проводности композита, материала наполнителя, расположенного в его порах, и матрицы, на основе которой создан композит, p — концентрация наполнителя в композите.

В [1] для оценки величины в композите „пориcomp стое стекло + NaCl“ мы использовали довольно грубую формулу Оделевского [8], которая не очень чувствительна к структурным особенностям композита. Для того чтобы можно было провести сравнение теплопроводности NaCl, находящегося в регулярных пустотах первого порядка опала [2] и в хаотически распределенных наноканалах пористого стекла, мы должны оценить теплопроводность последнего также с использованием (1), как это делалось при анализе данных по теплопроводности NaCl в опале [2].

На рис. 2 приведены температурные зависимости экспериментально полученных и вычисленных с помощью формулы Литовского для пористых тел [7] значений теплопроводностей образцов пористых стекол из [1] и [9] = (1 - p ) 1 - p, (2) pg Рис. 2. Температурная зависимость теплопроводности боросиликатного пористого стекла. Сплошные линии 1 и 2 —дан- где p — пористость стекла, — теплопроводность ные [1] и [9] соответственно; 3, 4 — расчет теплопроводностей аморфного SiO2 [10]. Для этих образцов расчетные и пористых стекол по формуле (2) [7] соответственно для значе- Расчет теплопроводности пористого стекла из [9] приводится ний пористости 30 и 20%; 5 —расчет по формуле (3) [11,12] для иллюстрации (и проверки) возможности использовать (2) для для пористости 30%. описания поведения теплопроводности пористых тел.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Теплопроводность NaCl, находящегося в хаотически расположенных каналах пористого стекла (NaCl)0.14(NaCN)0.76 [13] и NaCl, yходящегося в пустотах первого порядка опала (при 100% их заполнении) [2].Для в каналах пористого стекла был полуNaCl чен неожиданный и очень интересный результат. Его теплопроводность в интервале температур 25-300 K оказалась близкой к величине (T ) для NaCl, полуmin ченной в [13] с помощью модифицированной формулы Эйнштейна для теплопроводности твердых тел [14] (см. формулу (17) в работе [13]).В модифицированной модели Эйнштейна для теплопроводности твердых тел образец делится на области, в которых наблюдается когерентность между атомными эйнштейновскими осцилляторами, но отсутствует когерентность между этими хаотическими распределенными областями. Модель Эйнштейна достаточно хорошо описывала температурную зависимость теплоемкости [15], но не подходила для описания температурной зависимости теплопроводности кристаллических твердых тел.

Этой модели удовлетворяют аморфные (рис. 4, 5) и сильно разупорядоченные кристаллические материалы (рис. 34 и 5) [13,16]. В настоящее время еще не совсем ясно, почему эйнштейновская модель теплопроводности Рис. 3. Температурные зависимости теплопроводности.

хорошо описывает поведение теплопроводности NaCl, 1 — для NaCl, находящегося в наноканалах пористого стекнаходящегося в хаотически распределенных каналах пола ( ); 2, 3 — соответственно для чистого монокриNaCl ристого стекла. Согласно рентгеновским данным, NaCl сталла NaCl и с примесью 3 · 10-4 at.% Ag [10]; 4 — для в исследованном образце пористого стекла является NaCl, находящегося в пустотах первого порядка опала (при хорошо сформированным кристаллическим телом с поop 100% заполнения этих пустот NaCl) ( ) [2]; 5 — для NaCl стоянной решетки a = 5.641(1) (табличное значение a кристалла (NaCl)0.14(NaCN)0.76 [13]; 6 — расчетная „минидля хлористого натрия составляет 5.6402 ). Сведений о мальная“ теплопроводность для объемного кристаллическоего сильной дефектности в каналах пористого стекла в го NaCl ( ) [13].

min литературе нет.

На первый взгляд кажется, что модель Эйнштейна подходит для описания поведения теплопроводности NaCl, находящегося в каналах пористого стекла. Наэкспериментальные значения теплопроводностей совпанокластеры NaCl с регулярной решеткой хаотически ли, а пористости стекол по данным [1] и [9] оказались распределены по каналам матрицы. Тепловые контакты соответственно равными 30 и 20%. Тот факт, что помежду кластерами осуществляются через стекольную ристость образца, исследованного в настоящей работе, матрицу. Однако более обоснованный вывод о причинах, составляет 30%, подтверждается также и расчетами его приводящих к необычному поведению (T ), можно, NaCl теплопроводности по достаточно широко используемой по-видимому, сделать лишь после проведения исследовав литературе формуле Максвелла [11,12] (рис. 2) ний тонкой кристаллической структуры кластеров NaCl, расположенных в каналах пористного стекла (определе(1 - p ) =. (3) pg ния их размеров и геометрии расположения в каналах 1 + p /(d - 1) пористого стекла).

На рис. 4 проведено сравнение полученных экспеРасчет по формуле (3) проводился при значении риментальных значений для теплопроводности NaCl в d = 2, отвечающем случаю цилиндрических пор.

каналах пористого стекла с данными для теплопроводНа рис. 3 приведены данные для теплопроводности ности аморфных Se и SiO2 [13]. Характер поведения кластеров NaCl ( ), находящихся в хаотически рас- теплопроводностей этих трех материалов по отношению NaCl положенных наноканалах пористого стекла. Расчет про- к соответствующим им значениям (T ) приблизительmin водился по формуле (1) в предположении, что =, но одинаков. Необходимо отметить все же некоторое mat а =. В (T ) учитывалась пористость, оставpor NaCl comp К более подробному обсуждению данных, представленных на шаяся после частичного заполнения пустых каналов в рис. 3, мы вернемся позже.

стекле хлористым натрием. В [13] конспективно изложена теоретическая работа Эйнштейна, опубликованная в 1911 г. [14].

На этом же рисунке для сравнения приведены данные Наример, теплопроводность сильно разупорядоченной системы для теплопроводностей монокристаллов NaCl: чистого, (NaCl)0.14(NaCN)0.76 (кривая 5 на рис. 3) при T > 100 K приближается с примесью Ag [10], сильно разупорядоченной системы к величине (T ) для NaCl [13].

min Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1210 Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, А.В. Фокин, Х. Мисиорек, Я. Муха, А. Ежовский волны фононов, т. е. имеет место критерий Иоффе– Регеля [18,19]. Согласно расчетам Слэка [17], теплопроводность чистых щелочно-галоидных кристаллов приближается к соответствующим значениям лишь при min температурах, близких к температурам плавления этих материалов.

Одной из задач настоящей работы было сравнение поведения теплопроводности NaCl, находящегося в реop гулярных пустотах опала ( ) и в хаотически распоNaCl ложенных наноканалах пористого стекла ( ).

NaCl Вернемся к рассмотрению результатов для теплопроводностей материалов, представленных на рис. 3.

Кривые 1 и 4 на этом рисунке соответствуют (T ) NaCl op и (T ). Видно, что теплопроводности NaCl в опале и NaCl пористом стекле сильно различаются как по величине, так и по температурной зависимости. Еще более существенно, что их поведение в этих двух пористых средах описывается разными физическими моделями.

op Так, (T ) при низких температурах (T < 20 K) NaCl определяется граничным рассеянием фононов на „шейках“ ( 100 ) регулярно расположенных рупорообразных каналов, соединяющих заполненные хлористым Рис. 4. Сравнение экспериментальных значений теплопронатрием октаэдрические и тетраэдрические пустоты водности для аморфных Se и SiO2 [13] (штриховые линии) первого порядка опала, а при высоких температурах и кристаллического NaCl, находящегося в виде кластеров в хаотически расположенных наноканалах пористого стекла (50-300 K) — наличием специфических дефектов, воз(точки), с расчетными значениями [13] для соответству- никающих в хлористом натрии и связанных с нахождеmin ющих кристаллических тел (сплошные кривые).

нием его в пустотах опала [2].

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.