Александр Владимирович Мозжерин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры ЮНЕСКО новых материалов и технологий
AuthorID: 623661
660041, РФ, Красноярский край, г. Красноярск, пр. Свободный, 79
Aleksandr V. Mozzherin, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Associate Professor of the UNESCO New Materials and Technologies Department
AuthorID: 623661
79, Svobodny Ave., Krasnoyarsk Territory, Krasnoyarsk, 660041
Николай Николаевич Паклин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической физики и волновых явлений
AuthorID: 653274
660041, РФ, Красноярский край, г. Красноярск, пр. Свободный, 79
Nikolay N. Paklin, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Associate Professor of the Theoretical Physics and Wave Phenomena Department
AuthorID: 653274
79, Svobodny Ave., Krasnoyarsk Territory, Krasnoyarsk, 660041
Введение. Тепловое воздействие пожара на технические средства — распространенная и серьезная проблема. В этой связи представляется актуальной задачей исследование физико-химических и тепловых превращений в устройствах на основе теллурида кадмия при техногенных или природных пожарах. По ряду материалов подобные исследования не проводились, а имеющиеся результаты недостаточны или узкопрофильны. В предложенной статье представлены новые данные по дефектостойкости и применимости материала в зависимости от теплового воздействия.
Цель исследования — изучение особенностей деградации под воздействием экстремальных температур для создания новых материалов с заданными свойствами.
Материалы и методы. Исследовались образцы теллурида кадмия (CdTe), используемые в солнечных панелях и детекторах. В практической части работы оценивалось тепловое воздействие на образец обычных и экстремальных температур с последующим изучением материала методами просвечивающей электронной микроскопии. Эксперименты имитировали зону теплового воздействия пожара. Расчетно-теоретическая работа заключалась в совершенствовании математической модели физико-химических превращений и эволюции дефектов при тепловом воздействии до 1092 °С. Математическая модель учитывала теплодозу, характерную для неуправляемого горения. Для решения уравнений задействовали программный пакет Maple.
Результаты исследования. Визуализировано формирование дефектов в образце CdTe при существенно разных уровнях теплового воздействия. Нижняя граница — около 20 °С, верхняя — более 600 °С. Детально проработаны превращения в контрольных образцах CdTe при воздействии температуры до 1092 °С с шагом 15 °С. Точечные дефекты, обусловленные воздействием температуры, представлены как фактор разрушения материала, а следовательно, и сбоев в работе устройства. Решена система уравнений, которая учитывает комплекс параметров: частоту колебаний атомов в решетке, температуру, концентрации узлов CdTe, междоузельных атомов и вакансий, миграцию и присоединение междоузельных атомов и вакансий. Графически представлены концентрации вакансий и междоузельных атомов в образцах CdTe в зависимости от толщины и температуры. Итоги научных изысканий позволяют утверждать, что детекторы на основе CdTe относительно корректно работают только при теплодозе до 400 °С. В диапазонах 400–600 °С дефектная сеть материала активно эволюционирует, препятствуя разрушению. Однако дальнейшее увеличение теплового воздействия приводит к полной деградации оборудования, что не позволяет использовать теллурид кадмия в экстремальных условиях даже непродолжительное время.
Обсуждение и заключение. Предложенная усовершенствованная модель физико-химических превращений в устройствах на основе CdTe в зонах теплового воздействия позволит более избирательно подходить к вопросу использования оборудования. Кроме того, необходимо совершенствовать материалы и повышать их стойкость к экстремальным температурам.
Introduction. Thermal effect of fire on technical means is a common and serious problem. In this regard, it seems an urgent task to study physicochemical and thermal transformations in devices based on cadmium telluride during man-made or natural fires. For a number of materials, such studies have not been conducted, and the available results are insufficient or narrowly focused. The proposed article presents new data on the defect resistance and applicability of the material depending on the thermal effect. The work objective is to study the features of degradation under the influence of extreme temperatures to create new materials with specified properties.
Materials and Methods. Cadmium telluride (CdTe) samples used in solar panels and detectors were studied. In the practical part of the work, the thermal effect on the sample of normal and extreme temperatures was evaluated, followed by the study of the material by transmission electron microscopy methods. The experiments simulated a zone of thermal impact of a fire. The computational and theoretical work consisted in improving the mathematical model of physical and chemical transformations and the evolution of defects under thermal influence up to 1092 °C. The mathematical model took into account the heat dose characteristic of uncontrolled combustion. The Maple software package was used to solve the equations.
Results. The formation of defects in a CdTe sample at significantly different levels of thermal exposure was visualized. The lower limit was about 20 °С, the upper one was more than 600 °С. Transformations in CdTe control samples under the influence of temperatures up to 1092 °С with a step of 15 °С were worked out in detail. Point defects caused by the influence of temperature were presented as a factor of destruction of the material, and consequently, failures in the operation of the device. A system of equations was solved that takes into account a set of parameters: the frequency of vibrations of atoms in the lattice, temperature, concentrations of CdTe nodes, interstitial atoms and vacancies, migration and attachment of interstitial atoms and vacancies. The concentrations of vacancies and interstitial atoms in CdTe samples depending on thickness and temperature were graphically presented. The results of scientific research allowed us to assert that CdTe-based detectors worked relatively correctly only at a heat dose of up to 400 °С. In the ranges of 400-600 °С, the defective network of the material actively evolved, preventing destruction. However, a further increase in thermal exposure led to complete degradation of the equipment, which did not allow the use of cadmium telluride in extreme conditions, even for a short time.
Discussion and Conclusion. The proposed improved model of physical and chemical transformations in CdTe-based devices in heat-affected areas will allow a more selective approach to the use of equipment. In addition, it is necessary to improve materials and increase their resistance to extreme temperatures.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.