Иридий металл характеристики и свойства структуры

Иридий металл характеристики и свойства структуры

Иридий (обозначение — Ir, атомный номер — 77): драгоценный металл, фактически являющийся представителем платиновой группы. Структурно отличается высоким параметром температуры плавления (2443°C), плюс высоким показателем плотности (22,56 г/см3). Металл имеет уникальные характеристики, в частности — механические свойства в условиях высоких температур, хорошую химическую стабильность, стойкость против окислений. Соответственно, очевидным видится применение непосредственно иридия и сплавов для нужд военной, электронной, авиационной, космонавтической и другой промышленности.

Уникальные особенности на редкий металл — иридий

Если рассматривать свойства, к примеру, сплава иридия и вольфрама (Ir-0,3%W), этот сплав успешно применяется для изготовления герметичных контейнеров под ядерное топливо (PuO2). Такой контейнер на основе металла иридия допустимо использовать длительное время в условиях температуры 2100-2200°C без риска повреждений.

Кроме того, плёнки иридия, изготовленные из целевых материалов, выступают идеальной основой под создание диффузионного барьера и затравочного слоя в процессе гальваники незатравленной меди (производство интегральных схем). Очевидно — материалы мишени, применяемые в составе интегральных схем, требуют высокой чистоты, компактного построения и мелкую зернистость структуры.

В отличие от других ГЦК металлов, фрактура иридия демонстрирует режим хрупкости при комнатной температуре. Ряд учёных полагают — хрупкость чистого иридия является результатом высокой плотности дислокаций, вызванной особой винтовой дислокацией в кристалле. Однако другими отмечается, что основной причиной хрупкости иридия является ковалентная связь с ориентацией, которая препятствует обработке и применению иридиевых продуктов.

Большинство исследователей сосредоточили внимание на характеристиках пластичности и механизмах разрушения поликристаллического иридия при деформации. Между тем, с целью лучшего понимания деформационного поведения различных металлов и сплавов, последние годы практикуется физическое моделирование в лабораторном масштабе.

Wi-Fi камера + цифровой зумДжамп стартер ютрейсДрель компакт автоном 18 вольт

Исследования иридия на современном этапе развития науки

Материальное уравнение и карта обработки построены на основе экспериментальных кривых. Кроме того, в сочетании с микроструктурами доступен механизм деформации. Однако существует крайне мало исследований, которыми объясняется:

  • поведение деформации,
  • микроструктурные изменения,
  • механические свойства,
  • энергия.

Для последнего значения списка имеется в виду потребление в моменты пластической деформации при сжатии поликристаллического иридия.

Сопротивление деформации при сжатии поликристаллического иридия исследовалось в диапазоне температур 900-1400°C и при скоростях деформации E = 0,2 с–1 – 20 с–1. Однако микроструктурные изменения и механические свойства в ходе этих исследований отмечались редко. Также следует отметить, что доступен ограниченный объём данных, относящихся к механическим свойствам иридия в диапазоне температур 1650-2300°C.

В частности, деформационные свойства чистого иридия исследовались посредством испытаний на горячее сжатие в диапазоне температур 1200-1500°C и диапазоне скоростей деформации 10-3 с-1 – 10-1 с-1. Определялось влияние на деформацию параметров — температуры и скорости напряжения при пластической деформации. Плюс количественно анализировалась эволюция микроструктуры и механических свойств.

На основе модели гиперболического синуса и модели динамического материала разработаны материальное уравнение (CE — Constitutive Equation) и карты обработки (PM — Processing Maps) чистого иридия. Кроме того, параметры процесса формовки оптимизированы на основе CE и PM. Можно считать это базовой основой под разработку и оптимизацию процесса формования чистого иридия.

Материалы и методика под разработку и оптимизацию

Под проведение экспериментов учёными, как правило, берётся чистый иридий, полученный из цилиндрического стержня посредством электроннолучевой зонной плавки. Уровень чистоты иридия составляет 99,95%. Плотность материала отмечается на уровне 22,37 г/см3, тогда как относительная плотность достигает значения 99%, соответственно.

Микро-твёрдость исследуемых структур должна иметь значения не менее 450. Таблица ниже демонстрирует концентрации примесей, характерных для испытательных образцов иридия. Цилиндрические образцы вырезаются из кованого прутка иридия и обрабатываются до конечных размеров 6 и 9 мм по диаметру и длине, соответственно.

Химический элемент Количество частей на миллион (ppm)
Платина (Pt) 30
Рутений (Ru) 30
Родий (Rh) 10
Палладий (Pd) 10
Золото (Au) 10
Серебро (Ag) 10
Медь (Cu) 10
Железо (Fe) 10
Никель (Ni) 10
Кремний (Si) 10

Методика тестирования горячим сжатием

Достаточно удачной видится методика под эксперименты с применением тестера «Gleeble-1500D». Тестирование деформационного поведения иридия осуществляется здесь при термическом сжатии в диапазоне температур 1200-1500°C и с учётом диапазона скоростей деформации от 10-1 с-1 – 10-3 с-1.

В условиях вакуума образцы предварительно нагреваются до температуры сжатия с учётом скорости нагрева 20°C/с и выдерживаются при этой температуре в течение времени – 60 с. Затем доводятся до истинной деформации — 0,6.

Иридий металл характеристики и свойства структуры + тест металла
Схема испытаний на горячее сжатие чистого иридия: 1 – температуры деформации; 2 – скорость нагрева; 3 – время выдержки; 4 – скорости деформации; 5 – закаливание водой; T — ось температуры; B — ось времени

Температурное отклонение тестера допустимо в пределах 10°C. Деформированные образцы закаливают, чтобы сохранить деформированную при высокой температуре микроструктуру для последующего анализа. Для исследования профиля твёрдости сжатых образцов применяется вольфрамовый индентор, оснащённый сферическим наконечником.

Для уменьшения трения и повышения равномерности деформации в моменты проведения испытаний на термическое сжатие используют листы графита и тантала. Температурно-временная диаграмма испытания на тепловое сжатие представлена картинкой выше.

Характеристика микроструктуры металла иридий

Образцы для микроструктурного анализа вырезаются из центральной области деформированных образцов по направлению сжатия. Далее образцы шлифуются и вытравливаются электролитической технологией с применением 100 мл насыщенного раствора NaCl, содержащего 35 грамм H и 3–5 грамм HCl.

Иридий металл характеристики и свойства структуры + аппарат электрической коррозии
Аппарат электрической коррозии: 1 – тестовый иридий; 2 – стенка лабораторной колбы; 3 – электролит; 4 – электрод на основе графитового стержня; 5 — амперметр

Аппарат, применяемый для электролитической коррозии, показан на картинке выше. Также используются прецизионные инструменты SEM TM4000PLUS фирмы «Hitachi», оптическая микроскопия PMG3 производства «Olympus». Посредством этого набора ведётся наблюдение и анализ деформационной микроструктуры.


При помощи информации: MDPI