способ синтеза интерметаллических соединений

Формула изобретения

1. Способ синтеза интерметаллических соединений, например, сверхпроводящих, включающий совместное осаждение металлов на подложку, отличающийся тем, что совместное осаждение металлов ведут путем ионно-плазменного распыления мишеней из исходных металлов с получением пересыщенного твердого раствора металлов и его последующей термообработки.

2. Способ синтеза интерметаллических соединений по п.1, отличающийся тем, что на поверхности пересыщенного твердого раствора металлов перед термообработкой формируют слой, препятствующий испарению металлов при термообработке.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что слой, препятствующий испарению металлов при термообработке, формируют путем дополнительного ионно-плазменного реакционного распыления металлов с последующим осаждением соединений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения интерметаллических соединений, например сверхпроводящих, используемых в электротехнической, радиотехнической, медицинской и других отраслях промышленности.

Интерметаллические соединения в настоящее время получают, как правило, приведением в контакт между собой твердых металлов с последующим их расплавлением или контактированием жидких металлов в течение определенного времени, в результате которого происходит образование соединения. Примером является образование соединений AgZn₃, AuZn и AuZn₃ при рафинировании чернового свинца от серебра и золота вмешиванием цинка в расплав и взаимодействием его с благородными металлами, растворенными в свинце (М.П. Смирнов. Рафинирование свинца и переработка полупродуктов. - М.: Металлургия, 1974, с.145, 151). Такой способ сопряжен со значительными трудностями при получении интерметаллических соединений металлов, весьма различающимися как температурой плавления (ванадий, ниобий тантал, с одной стороны, и свинец, олово, алюминий и др. - с другой), так и давлением пара -летучестью.

Известен способ синтеза интерметаллических соединений (Н. Holleck, H. Novotny, F. Benesovsky. Intermetallsche Phasen mit -Wolfram-Struktur (V₃Pb, Nb₃Pb und V₃Cd). Monatshefte fur Chemie, 1963, В.94, s.474), включающий смешение порошка ниобия и тонкой проволоки из свинца, прессование и термообработку при температуре 1500^oС и давлении 200 атм и последующую гомогенизацию соединения при 1100^oС. Недостатком способа является необходимость поддержания весьма высокой температуры и давления для синтеза соединения и предотвращения возможного испарения одного из компонентов соединения - свинца.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ синтеза интерметаллического соединения Nb₃Sn (Угольникова Т.А., Моисеев А.И. Температурные условия осаждения Nb₃Sn из газовой фазы. Сверхпроводящие сплавы и соединения. Труды VI Всесоюзного совещания по проблеме сверхпроводящих материалов. - М. : Наука, 1972, с.48-54) совместным осаждением восстановленных из хлоридов металлов на подложку при 780^oС с непосредственным получением интерметаллида Nb_зSn.Способ также отличает высокая температура протекания реакции образования интерметаллида.

Технический результат изобретения заключается в понижении температуры синтеза интерметаллических соединений.

Технический результат достигается в способе синтеза интерметаллических соединений, например сверхпроводящих, включающем совместное осаждение металлов на подложку, в котором совместное осаждение металлов ведут путем ионно-плазменного распыления мишеней из исходных металлов с получением пересыщенного твердого раствора металлов и его последующей термообработкой. На поверхности пересыщенного твердого раствора металлов перед термообработкой формируют слой, препятствующий испарению металлов при термообработке. Слой, препятствующий испарению металлов при термообработке, формируют путем дополнительного ионно-плазменного реакционного распыления металлов с последующим осаждением соединений.

Суть изобретения заключается в следующем.

Проведение синтеза интерметаллических соединений из пересыщенного твердого раствора позволяет значительно снизить пороговую температуру образования интерметаллида из-за атомных размеров и упорядоченного распределения одного металла в другом, готовых для протекания реакции синтеза. Совместное осаждение распыленных ионно-плазменным способом металлов в виде частиц малого размера обеспечивает такое распределение. Кроме того, внутреннее напряжение кристаллической решетки твердого раствора составляет весьма значительную величину, что также способствует достижению технического результата.

В связи с тем что часто давление пара металлов, составляющих интерметаллид, при температурах термообработки достаточно велико, возможен процесс испарения этого металла и обеднение исходной смеси металлов. Последнее ухудшает фазообразование синтезируемого соединения. Поэтому предпочтительно покрытие поверхности твердого раствора слоем, препятствующим испарению металлов, что позволяет улучшить условия протекания синтеза.

Ионно-плазменное распыление металлов и последующее их осаждение является наиболее целесообразным и позволяет сформировать собственно твердый раствор, как таковой, при низких температурах без возможного образования промежуточных фаз и соединений, тормозящих реакцию синтеза.

Реакционное ионно-плазменное распыление металлов и последующее осаждение соединений позволяет сформировать слой, препятствующий испарению металлов, из соединений, например оксида, имеющих малую величину давления пара и не испаряющихся при термообработке.

Способ применен при синтезе интерметаллических соединений Nb₃Sn, Nb₃Al, Nb₃Pb и других. Порядок операций, условия синтеза и результаты его приведены в примерах. Во всех случаях при формировании твердого раствора в качестве плазмообразующего газа использован аргон, подвергнутый очистке от примесей с использованием геттера - распыленного титана.

Пример 1. При синтезе Nb₃Sn ионно-плазменным распылением мишеней из ниобия и олова и последующим совместным осаждением распыленных металлов на подложке из поликора (Аl₂O₃) сформирован пересыщенный твердый раствор олова в ниобии, содержащий 27,51 ат.% олова, с параметром решетки а=0,5295 нм. Пересыщенный твердый раствор подвергнут термообработке при 600^oС и давлении (1-5)10^-4 Па в течение 60 мин. Синтезировано интерметаллическое соединение Nb₃Sn с параметром решетки a=0,5280 нм. Других фаз по данным рентгеноструктурного анализа не обнаружено. Температура синтеза данного соединения существующими способами составляет 700-800^oС.

Пример 2. При синтезе Nb₃Al ионно-плазменным распылением мишеней из ниобия и алюминия и последующим совместным осаждением распыленных металлов на подложке из поликора (Аl₂О₃) сформирован пересыщенный твердый раствор алюминия в ниобии, содержащий 32,80 ат.% алюминия, с параметром решетки а= 0,3265 нм. Пересыщенный твердый раствор подвергнут термообработке при 700^oС и давлении (1-5)10^-4 Па в течение 60 мин. Синтезировано интерметаллическое соединение Nb₃Al с параметром решетки a=0,5153 нм. Других фаз по данным рентгеноструктурного анализа не обнаружено. Температура синтеза данного соединения диффузионным способом составляет более 900^oС, из расплава - около 1900^oС.

Пример 3. При синтезе Nb₃Pb ионно-плазменным распылением мишеней из ниобия и свинца и последующим совместным осаждением распыленных металлов на подложке из поликора (Аl₂О₃) сформирован пересыщенный твердый раствор свинца в ниобии, содержащий 22,72 ат.% свинца, с параметром решетки а=0,3362 нм. На поверхности пересыщенного твердого раствора ионно-плазменным реакционным распылением алюминия в плазмообразующем газе, содержащем аргон и 20 об.% кислорода, сформировано покрытие из корунда (Аl₂О₃) толщиной 1,2 мкм, препятствующее испарению свинца из раствора при термообработке и низком давлении. Пересыщенный твердый раствор с покрытием подвергнут термообработке при 1150^oС и давлении (1-5)(10^-3 Па в течение 60 мин. Синтезировано интерметаллическое соединение Nb₃Рb с параметром решетки а=0,5953 нм, выход которого составил 70%. По данным рентгеноструктурного анализа в синтезированном продукте присутствует до 30% твердого раствора с параметром решетки a=0,3270 нм. По способу сплавлением, изложенному в [Н. Holleck, H.Novotny, F. Benesovsky. Intermetallsche Phasen mit -Wolfram-Struktur (V₃Рb, Nb₃Рb und V₃Сd). Monatshefte far Chemie, 1963, В.94, s.474], температура синтеза составляет 1500^oС, а содержание Nb₃Рb в синтезированном продукте около 10%.

Таким образом, приведенные примеры реализации способа и результаты, полученные в них, свидетельствуют о значительном снижении температуры синтеза интерметаллических соединений.