Структура, системы скольжения и микротвердость кристаллов С₆₀

Abstract

Проведено комплексное исследование структуры и микропластичности особо чистого фуллерита С₆₀. Методом рентгеновской дифрактометрии изучены кристаллическая структура, параметры решетки и фазовые переходы в интервале температур 30-293 К. Установлена температура ориентационного фазового перехода порядок-беспорядок Тс = 260 К. В образцах обнаружено заметное количество областей с упаковочным беспорядком, которые приводят к размытию фазовоrо перехода ГЦК ➔ ПК в интервале Тс ± 3 К. На зависимости параметра решетки а(Т) выявлены особенности при трех характерных температурах: Тс , при которой происходит скачок параметра решетки Δа/а= 3,3*10⁻³; Тo ≈ 155 К и Тg ≈ 95 К, обусловленные началом и завершением процесса замораживания ориентаций молекул. Показано, что формирование ориентационного стекла сопровождается значительным увеличением ширины рентгеновских отражений. Изучены геометрия скольжения и температурная зависимость микротвердости Нv в интервале температур 81-293 К. Показано, что единственной системой скольжения в ГЦК и ПК фазах является система типа {111}{110}. Величина Нv зависит от плоскости индентирования: Нv¹¹¹ > Нv¹⁰⁰ . Ниже Тс микротвердость довольно резко увеличивается (примерно на 30%). Температурный интервал этой особенности уменьшается после отжига кристалла в вакууме. При Т < То наблюдается существенное усиление зависимости Нv(Т). Показано, что нормированная на модуль упругости твердость С₆₀ при сопоставимых гомологических температурах выше твердости типичных молекулярных кристаллов.

Проведено комплексне дослідження структури і мікропластичності особливо чистого фуллерита С₆₀. Методом рентгенівської дифрактометрії вивчено кристалічну структуру, параметри rратки і фазові переходи в інтервалі температур 30-293 К. Встановлено температуру орієнтаційноrо фазового переходу порядок - непорядок Тс = 260 К. В зразках виявлено помітну кількість областей з упакувальним непорядком, які призводять до розмивання фазового переходу ГЦК ➔ ПК в інтервалі Тс ± 3 К. На залежності параметра rратки а(Т) виявлено особливості при трьох характерних температурах: Тс, при якій відбувається стрибок параметра Δа/а= 3,3*10⁻³; Тo ≈ 155 К і Тg ≈ 95 К, обумовлені початком і завершенням процесу заморожування орієнтацій молекул. Показано, що формування орієнтаційноrо скла супроводжується значним збільшенням ширини рентгенівських рефлексів. Вивчено геометрію ковзання і температурну залежність мікротвердості Нv в інтервалі температур 81-293 К. Показано, що єдиною системою ковзання в ГЦК і ПК фазах є система типу {111}{110}. Величина Нv залежить від площини індентування: Нv¹¹¹ > Нv¹⁰⁰. Нижче Тс мікротвердість досить різко збільшується (приблизно на 30%). Температурний інтервал цієї особливості зменшується після відпалу кристала у вакуумі. При Т < То спостерігається суттєве посилення залежності Нv(Т). Показано, що нормована на модуль пружності твердість С₆₀ при порівняльних гомологічних температурах вище твердості типових молекулярних кристалів.

The structure and microplasticity of high-purity fullerite С₆₀ have been investigated comprehensively. The crystalline structure, lattice parameters, and phase transitions have been studied by x-ray diffractometry in the temperature range 30–293 K. It is found that the temperature corresponding to the orientational order–disorder phase transition is Tc=260 K. A considerable number of regions with stacking faults discovered in the samples leads to blurring of the fcc→sc phase transition in the temperature interval Tc±3 K. The a(T) dependences of the lattice parameter display peculiarities at the following characteristic temperatures: Tc at which the lattice parameter jump Δa/a=3.3×10⁻³ is observed, and the temperatures Tо≃155 K, and Tg≃95 K which are associated with the beginning and end of molecular orientation freezing. It is shown that the formation of orientational glass is accompanied by a considerable increase in the width of x-ray reflections. The slip geometry and the temperature dependence of microhardness HV are studied in the temperature interval 81–293 K. It is shown that a system of the {111}⟨110⟩ type is the only slip system in the fcc and sc phases. The value of HV depends on the indentation plane: Нv¹¹¹ > Нv¹⁰⁰. Below Tc, the microhardness increases abruptly (by approximately 30%). The temperature interval of this anomaly decreases after annealing of the crystal in vacuum. At T<Tо, the HV(T) dependence becomes much stronger. It is shown that the hardness of С₆₀ normalized to the elastic shear modulus is higher than the hardness of typical molecular crystals at comparable homologic temperatures.