Кинетика абсорбции и десорбции водорода в монокристаллах фуллерита С₆₀. Низкотемпературные микромеханические и структурные характеристики твердого раствора внедрения С₆₀(Н₂)x

Abstract

При комнатной температуре измерены зависимости микротвердости HV и параметра решетки a монокристаллов C₆₀ от времени насыщения водородом t при нескольких значениях температуры насыщения (250, 300 и 350 °C) и фиксированном давлении водорода p = 30 атм. Кинетика абсорбции водорода согласно измерениям HV и a описывается простым экспоненциальным законом с одним зависящим от температуры характеристическим временем. В сильно насыщенных образцах микротвердость повышалась в 4 раза, а параметр решетки увеличивался на 0,2 % по сравнению с исходным кристаллом С₆₀. В интервале температур 77–300 К изучены температурные зависимости микротвердости HV и параметра решетки a кристаллов C₆₀(H₂)x. Внедрение водорода существенно понижает температуру ГЦК–ПК фазового перехода, а сам переход становится сильно растянутым по температуре. Зависимость микротвердости насыщенного образца от времени выдержки на воздухе при комнатной температуре описывается суммой двух экспонент с разными значениями характеристического времени. Такая кинетика предположительно обусловлена двумя процессами: десорбцией водорода из образца, что вызывает падение микротвердости, и одновременным вхождением в образец газовых примесей из окружающего воздуха, что сопровождается упрочнением. Обсуждаются влияние молекул Н₂ на характер межмолекулярного взаимодействия в фуллерите С₆₀ и обусловленные интеркаляцией процессы дислокационного скольжения и микроразрушения.

При кімнатній температурі виміряно залежності мікротвердості HV і параметра гратки a монокристал ів C₆₀ від часу насичення воднем t при декількох значеннях температури насичення (250, 300 та 350 °C) і фіксованому тиску водню p = 30 атм. Кінетика абсорбції водню згідно з вимірюваннями HV та a описується простим експоненціальним законом з одним характеристичним часом, який залежить від температури. В сильно насичених зразках мікротвердість збільшувалась в 4 рази, а параметр гратки змінювався на 0,2 % у порівнянні з вихідним кристалом C₆₀. В інтервалі температур 77–300 К вивчено температурні залежності мікротвердості HV та параметра гратки a кристалів C₆₀(H₂)x. Проникнення водню суттєво знижує температуру ГЦК–ПК фазового переходу, а сам перехід стає сильно разтягнутим по температурі. Залежність мікротвердості насиченого зразка від часу витримки на повітрі при кімнатній температурі описується сумою двох експонент з різними значеннями характеристичного часу. Така кінетика за припущенням обумовлена двома процесами: десорбцією водню із зразка, що викликає зниження мікротвердості, і одночасним входженням у зразок газових домішок із оточуючого повітря, що супроводжується зміцненням. Обговорюється вплив молекул Н₂ на характер міжмолекулярної взаємодії в фулериті С₆₀ та обумовлені інтеркаляцією процеси дислокаційного ковзання та мікроруйнування.

The room temperature values of microhardness HV and the lattice parameter a of C₆₀ single crystals have been measured as a function of the hydrogen saturation time t at several saturation temperatures (250, 300, and 350 °C) and a fixed hydrogen pressure of 30 bar. Based on the measurements of both HV and a the hydrogen absorption kinetics can be described by a simple exponential law with a single temperature-dependent characteristic time. In highly saturated samples the microhardness grew four-fold, while the lattice parameter increased by 0.2 % compared to the pristine C₆₀ crystal. The temperature dependence of the microhardness HV and the lattice parameter a of the C₆₀(H₂)x crystal was studied within the temperature range 77–300 K. Penetration of hydrogen considerably lowers the fcc-sc phase transition point, the transition becoming strongly extended in temperature. The dependence of the microhardness on the time of exposure to atmospheric air can be described by a sum of two exponential laws with appreciably different characteristic times. Such a kinetics is supposedly controlled by two processes, namely, the hydrogen desorption from the sample, which entails a decrease in microhardness and a simultaneous penetration into the sample of gas impurities from the ambient air, which is accompanied by a hardening. The effect of H₂ molecules on the character of the molecular interaction in fullerite C₆₀ and the intercalation- related processes of dislocation glid and microfracture are discussed.