Файл: Евдокимов, В. Д. Экзоэлектронная эмиссия при трении.pdf

А К А Д Е М И Я Н А У К СССР

НАУЧНЫЙ СОВЕТ 110 ТРЕНИЮ И СМАЗКЕ

В. Д. ЕВДОКИМОВ,

Ю. И. СЕМОВ

ЭКЗОЭЛЕКТРОННАЯ

ЭМИССИЯ ПРИ ТРЕНИИ

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « Н А У К А»

М О С К В А 1 і) 7 .1

К О Н Т Р О Л Ь HЫ Й Ѳ К 2

Благодаря достижениям в области физико-химической механики кон­ тактных взаимодействий стало известно, что причины радикальных и з ­ менений эксплуатационных свойств материалов следует искать в погра­ ничных слоях и в возникающих там эффектах. Оказалось, что путь к управлению свойствами рабочих поверхностей зачастую лежит через глубокое познание тонких физических и химических явлений. Именно поэтому решение научных и производственных .задач, связанных с т р е ­ нием и изнашиванием, уже не обходится без привлечения новых физи­ ческих и химических методов исследования, которые в сочетании с и з ­ вестными классическими методами способны дать наиболее полную ин­ формацию об условиях трения и состоянии поверхностных слоев.

ного состояния поверхностных слоев, об особенностях развития в кон­ такте трения тепловых процессов и кинетики химических реакций.

Достаточная изученность некоторых электрических явлений позволи­ ла разработать новые методы для исследования внешнего трения и управления свойствами рабочих поверхностей. Среди наименее изучен­ ных электрических явлений, возникающих при трении, особый интерес вызывает экзоэлектронная эмиссия. Такой интерес к экзоэлектронной эмиссии объясняется не только перспективой практического использо­ вания, но и особенностями ее природы, для выяснения которой привле­ каются арсеналы физики, химии и учитываются закономерности дефор­ мации поли- и монокристаллов.

В общем представлении экзоэлектронная эмиссия характеризуется излучением электронов с поверхности твердого тела, возбужденной различными способами, в том числе трением. Интенсивность экзоэлек­ тронной эмиссии чутко реагирует на состояние поверхности, а ее ход во времени зависит от окружающих условий - температуры, состава и давления атмосферы, освещенности и проч. С помощью экзоэлектрон­ ной эмиссии можно получить сведения о физико-химических и дефор­ мационных процессах на поверхности твердого тела и о влиянии на них внешних условий. Но при расшифровке экспериментальных данных возникают и определенные трудности из-за отсутствия у исследовате­ лей единства взглядов на природу явления. Это мешает широкому при­ менению экзоэлектронной эмиссии для исследования поверхностных

тод физики твердого тела, особенно перспективный для изучения по­ верхностных процессов при деформации металлов.

3

Г л а в а I.

ЭКЗОЭЛЕКТРОІШАЯ ЭМИССИЯ. ОБЗОР ГИПОТЕЗ

Экаоэлектронная эмиссия возникает после возбуждения поверхности

ла стимулируют химические реакции и нагрев. Многие виды возбужде­ ния разрушают поверхностные слои, в результате чего возникают д е ­ фекты кристаллической решетки, происходят структурные превращения, нарушается адсорбционное равновесие, образуются новые химические соединения. По мере стабилизации свойств поверхности экзоэлектрон-

ности и состава атмосферы. Изучение экзоэлектронной эмиссии способ­ ствует пониманию многих физико-химических процессов, протекающих на поверхности твердых тел. При этом необходимо руководствоваться какой-либо физической моделью, которая связывала бы экзоэлектронную эмиссию с изучаемым явлением.

Начало систематическому изучению экзоэлектронной эмиссии поло­ жено работами Крамера [ 6-10]. К настоящему времени накоплен обшир­ ный экспериментальный материал и выдвинут ряд гипотез для объясне­ ния природы этой эмиссии. Результаты наиболее важных работ обсужда­ лись и обобщались в обзорных статьях [ 11-16].

Многочисленные исследования чистых металлов и сложных химиче­ ских соединений, различная экспериментальная методика и условия про­ ведения опытов, разные способы возбуждения поверхности и противоре­ чивость выводов различных авторов затрудняют систематизацию работ, необходимую для создания всесторонних и четких представлений о проб­ леме экзоэлектронной эмиссии. На наш взгляд, наиболее приемлемой в этом отношении является классификация работ по гипотезам, предло­ женным в свое время для объяснения экспериментально наблюдаемых фактов.

Гипотеза Крамера. Крамером впервые была исследована температур­ ная зависимость экзоэлектронной эмиссии. Интенсивность эмиссии, регистрируемая в его опытах открытым острийным счетчиком, возрас ­ тала по мере нагревания образцов. При определенных для данного об­ разца температурах появлялись резкие максимумы эмиссии. На метал -

5

лах максимумы появлялись, как правило, при охлаждении образцов, нагрев вызывал монотонное возрастание эмиссии, реже - очень сла­ бые пики. Это иллюстрируется температурной зависимостью интенсив­ ности эмиссии для сплава Вуда [ 8 ] . Крамер обнаружил, что темпера­ туры максимумов являются точками фазовых переходов. Отсюда сле ­ дует его гипотеза: если фазовый переход экзотермический, то выделя­ ющаяся энергия сообщается электронам, которые эмиттируют с поверх­

лоты фазовых превращений. Ряд экспериментов других авторов подтвер­ дил соответствие между фазовой диаграммой и температурными макси­ мумами экзоэлектронной эмиссии [17-21].

Подобное объяснение кажется наглядным и вероятным. Но резуль­ таты многих работ, сделанных вслед за Крамером, показали, что в о з ­ буждение экзоэлектронной эмиссии нельзя объяснить экзотермической

Хемосорбционная гипотеза. В 1951 г. появилась работа Хакселя, Хоутерманса и Зегера [ 23], в которой предлагается хемосорбционный механизм экзоэлектронной эмиссии. По мнению этих авторов, энергия, за счет которой эмиттируют экзоэлектроны, выделяется при хемосорб-

соответствуют центры адсорбции с различными энергиями активации. Позднее было установлено, что на многих веществах пики эмиссии появляются при одних и тех же температурах [ 24]. Это свидетельству­

Различия в высоте и положении температурных максимумов объяс­ няются скорее разными скоростями нагрева, чем природой ответствен­ ных за них центров [ 29 ]. Действительно, если температурный ход экзоэлектронной эмиссии мало отличается для различных металлов и окислов, то тогда этот процесс определяется образованием поверхност­ ного слоя, структура которого не зависит от природы подложки [ 24]; такой слой образуется за счет адсорбции кислорода из воздуха.

Сложнее объяснить затухание эмиссии во. времени, следуя хемосорбционной гипотезе. При атмосферном давлении адсорбционный слой обра­ зуется за очень короткое время [30], а экзоэлектронная эмиссия на некоторых образцах наблюдается в течение многих суток. И все же

6

эта гипотеза интересна тем, что в ней впервые обращено внимание на необходимость контакта поверхности металлического образца с ак ­

показывают, что она, как правило, меньше 4 эв - средней величины работы выхода электрона из металла [38,39], Таким образом, если даже предположить, что вся указанная энергия передается целиком одному электрону, то эмиссия не должна наблюдаться. Но если при­ нять во внимание, что теплоты образования окислов гораздо больше теплот хемосорбции, то эмиссия может возбуждаться за счет энергии химической реакции между активным газом и поверхностью металла. Подобное объяснение было выдвинуто чешскими исследователями Сейдлем и Роубинеком [40-43]. Их предположения подтвердились опы­ тами Лоффа [31, 33] проведенными в вакууме до 1 0 - 6 мм рт.ст. Эмис­ сия измерялась с помощью вторично-электронного умножителя. Приве­

дем основные выводы из работ Лоффа: 1 ) при неизменном давлении

электронов находится в пределах 0,1 - 0,2 эв и не зависит от работы

первые 17 мин. окисления. Описать процесс такой простой зависимо­ стью для больших промежутков времени не представлялось возмож -

1934 г., предполагал передачу электрону энергии элементарного акта взаимодействия атома галогена с поверхностью металла. Но все же перенести этот механизм на эффекты, наблюдаемые Лоффом, нецелесо­

( п р и м . а в т о р о в ) .

7