PROGNOSTIC SEMI-EMPIRICAL CALCULATION OF THE THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF GOLD-SILICON ALLOYS BASED ON COMPONENT DATA
DOI:
https://doi.org/10.52754/16948645_2026_1(8)_74Keywords:
gold, silicon, heat capacity, density, coefficient of thermal linear expansion, thermal conductivity, thermal diffusivity.Abstract
The discovery of a chaotic spatial distribution (while maintaining short-range order) of atoms in a gold-silicon alloy marked the beginning of not only the intensive development of technological methods for producing amorphous alloys and their widespread practical application, but also the theoretical study of disordered systems. The wide range of amorphous alloys and the uniqueness of their thermophysical characteristics require a preliminary assessment of the alloys' properties in order to reduce material, energy, and economic costs. Over time or with increasing temperature, an amorphous metal alloy undergoes a crystallization process. This process leads to the formation of a well-ordered distribution of atoms in space, resulting in the restoration of long-range order. Due to the thermal and temporal instability of such alloys, there are problems of both determining the temperature dependencies of thermal and other physical properties, as well as the coefficients of kinetic equations. In this work, the use of a two-phase locally-equilibrium region model and empirical approximating functions is proposed to describe the thermo-physical characteristics of gold-silicon alloys. The application of this model is based on the fact that, according to Prigogine's principle, thermodynamic equilibrium is established much faster in small local regions than in a massive sample as a whole. It has been established that the theoretical description is adequate to the experimental data arrays for gold and silicon. The calculations were performed using continuous approximating functions, which can be used to solve other thermal problems. The continuous functions obtained within the framework of the model allow us to describe such features of the temperature curves of thermophysical properties as jumps, peaks, and pits. Their appearance is associated with the occurrence of structural and polymorphic transformations, as well as phase transitions of the first and second kinds, in the systems. The thermal properties of the alloys are calculated using the component mixing rule. It is shown that the properties of alloys are located in temperature bands limited by the temperature dependencies of the components, and inherit the properties of the constituent elements. Additional theoretical studies conducted on other amorphous alloys demonstrated the possibility of sup-pressing the inheritance effect through the interaction of the alloy components. The presence of points of indistinguishability of the values of thermal conductivity and thermal diffusivity of components and alloys of any composition is established.
References
Shalnikov A. Superconducting thin films // Nature. 1938. V. 142. Р. 74.
Шальников А.И. Сверхпроводящие свойства тонких металлических слоев. // ЖЭТФ. 1940. Т. 10. № 6. С. 629-640.
Золотухин И.В., Калинин Ю.Е. Аморфные металлические сплавы // Успехи физических наук. 1990. Т. 160, № 9. С. 75-110.
Салли И.В. Физические основы формирования структуры. М.: Металлургиздат, 1963. 219 с.
Klement W., Willens R.H., Duwez P. Non-crystalline structure in solidifies Gold-Silicon alloys // Nature. 1960. V. 187 (4740). P. 869–870. doi: 10.1038/187869b0.
Duwez P., Willens R.H., Klement W. Continuous series of metastable solid solutions in Silver-Copper alloys // J. Appl. Phys. 1960. V. 31(6). P. 1136-1137. doi: 10.1063/1.1735777.
Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник. В 3-х т. Т. 1 / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1996. 992 с.
Okamoto H., Massalski T.B. The Au-Si (Gold-Silicon) system // Bull. Alloy Phase Diagr. 1983, V. 4 (2). 190-198. doi: 10.1007/BF02884878.
Shpyrko O.G., Streitel R. Surface crystallization in a liquid AuSi alloy // [Электронный ресурс] arXiv: cond-mat/0607178v1 [cond-mat.soft] 7 Jul 2006. doi: 10. 1126/science.1128314 (Дата обращения 29.06.2024).
Panciera F., Terso J., Gamalski A.D., Reuter M.C., Zakharov D., Stach E.A., Hofmann S., Ross F.M. Surface crystallization in a liquid AuSi and its impact on catalysis // Advanced Materials. 2019. V. 31. № 5. P. 1806544. 10.1002/adma.20 1806544. https://hal.science/hal-02403349.
Waghorne R.M., Rivlin V.G., Williams G.I. Structure of liquid alloys of the Au-Si and Au-Ge systems // J. Phys. F: Metal Phys., 1976. V. 6, №. 2. P. 147-156.
Chen H.S., Turnbull D. Thermal properties of Gold-Silicon binary alloy near the eutectic composition // J. Appl. Phys. 1967. V. 38. P. 3646-3650. doi: 10.1063/1.1710186.
Hübner J.-M., Bierman B.C., Wallenberg R., Fredrickson D.C. Temporary cohabitation: the metastable phase Au4Si. Код доступа: https://figshare.com/articles/journal_contribution/ Tempo-rary_Cohabitation_The_Metastable_Phase_Au_sub_4_sub_Si/21552117/1, ja2c10306_si_001.pdf (Дата обращения 29.06.2024).
Zhang M., Wen J. G., Efremov M.Y., Olson E.A., Zhang Z.S., Hu L., de la Rama L.P., Kummamuru R., Kavanagh K.L., Ma Z., Allen L.H. Metastable phase formation in the Au-Si system via ultrafast nanocalorimetry // J. Appl. Phys. 2012. 111.093516(1-7). doi: 10.1063/1.4 712342.
Kurtuldu G., Lӧffler J.F. Multistep crystallization and melting pathways in the free-energy landscape of a Au–Si eutectic alloy // Adv. Sci. 2020, 7(12), 1903544 (1-7). doi: 10.1002/advs. 201903544.
Pasturel A., Tasci E.S., Sluiter M.H.F., Jakse N. Structural and dynamic evolution in liquid Au-Si eutectic alloy byab initiomolecular dynamics // Phys. Rev. B. 2010. 81(14). doi:10.1103/physrevb. 81.140202.
Lee S.-H., Hwang G.S. Structure, energetics, and bonding of amorphous Au–Si alloys // J. Chem. Phys. 2007. V. 127, 224710 (1-5). doi: 10.1063/1.2815326.
Evenson Z., Yang F., Simeoni G.G., Meyer A. Self-diffusion and microscopic dynamics in a gold-silicon liquid investigated with quasielastic neutron scattering // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 108. 121902 (1-4). doi: 10.1063/1.4944814.
Сидоров Е.В. Физико-химические основы литейного производства. Процессы кристаллизации и структурообразования. Владимир : Изд-во Владим. гос. ун-та, 2011. 230 с.
Терехов С.В. Размытый фазовый переход и теплоемкость твердого тела // Физика и техника высоких давлений, 2022. Т. 32, № 2. С. 36-51.
Физические величины. Справочник / Под. ред. И.С. Григорьева, Е.3. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких темпе-ратурах. М.: Металлургия, 1989. 384 с.
Благородные металлы / Справ. изд. под ред. Савицкого Е.М. М.: Металлургия, 1984. 592 с.
Новицкий Л.А., Кожевников И.Г. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. Справочник. М.: Машиностроение, 1975. 216 с.
Шелудяк Ю.Е., Кашпоров Л.Я., Малинин Л.А., Цалков В.Н. Теплофизические свойства компонентов горючих систем / Справочник под ред. Н.А. Силина. М.: НПО «Информация и технико-экономические исследования», 1992. 184 с.
Демин М.М., Алексашкина А.А., Королева О.Н. Атомистическое моделирование характеристик золота в области фазового перехода плавление-кристаллизация // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2020. № 1. 18 с. http://doi.org/ 10.20948/prepr-2020-1.
Мажукин В.И., Королева О.Н., Шапранов А.В., Демин М.М., Алексашкина А.А. Определение теплофизических свойств золота в области фазового перехода плавление-кристаллизация. Молекулярно-динамический подход // Математическое моделирование. 2022. Т. 34, № 1. С. 59-80. doi: 10.20948/mm-2022-01-05.
Магомедов М.Н. Изучение свойств ГЦК-Au в широком диапазоне температур и давлений // Физика твердого тела. 2022. Т. 64, № 7. С. 765-779. doi: 10.21883/FTT. 2022.07.52559.319.
Станкус С.В., Хайрулин Р.А., Тягельский П.В. Термические свойства германия и кремния в конденсированном состоянии // Теплофизика высоких темпера-тур. 1999. Т. 37, № 4. С. 559-564.
Глазов В.М., Щеликов О.Д. Объемные изменения при плавлении и нагреве расплавов кремния и германия // Теплофизика высоких температур. 2000. Т. 38, № 3. С. 429-436. doi: 10.1007/BF02756000.
Глазов В.М., Щеликов О.Д. Температурная зависимость удельного объема кремния и германия в окрестности фазовых переходов кристалл-расплав // Журнал физической химии. 2000. Т. 74, № 7. С. 1258-1265.
Магомедов Я.Б., Гаджиев Г.Г., Омаров З.М. Высокотемпературная теплопроводность и электропроводность германия, кремния и их расплавов. Физика. 2007. Т. 13. № 1-2. С. 91-94.
Червоный И.Ф. Эффект ускоренной кристаллизации кремния и германия // Технологический аудит и резервы производства. 2014. № 1/3(15). С. 46-48.
Королева О.Н., Мажукин А.В. Атомистическое моделирование теплофизических характеристик кремния в области фазового перехода полупроводник-металл // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2018. № 74. 24 с. doi:10.20948/ prepr-2018-74.
Хвесюк В.И., Цяо В., Баринов А.А. Определение теплопроводности кремния с детальным учетом кинетики взаимодействия фононов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2022. № 3 (102). С. 57–68. doi: 10.18698/1812-3368-2022-3-57-68.
Терехов С.В. Тепловые свойства металлов. Справочник. Донецк: ДонФТИ им. А.А. Галкина, 2023. 184 с.
Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Липецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980. 320 с.
Кошман В.С. Об одном подходе к обобщению опытных данных по теплофизическим свойствам элементов Периодической системы Д.И. Менделеева // Пермский аграрный вестник. 2014. № 2 (6). С. 35-42.
Успенская И.А., Дружинина А.И., Жирякова М.В., Тифлова Л.А., Скворцова Е.Г., Блудова Н.Г. Задачи практикума по физической химии. Расчет термодинамических функций по результатам измерений теплоемкости методом адиабатической вакуумной калориметрии. МГУ, М. (2019). 29 с.
Терехов С.В. Термодинамическая модель размытого фазового перехода в металлическом стекле Fe40Ni40P14B6 // Физика и техника высоких давлений. 2018. Т. 28, № 1. С. 54-61.
Terekhov S.V. Calculation of heat capacity and coefficients of linear thermal expansion of light and heavy platinum triad metals // High Temperature. 2023. V. 61, № 5. P. 617-622. doi: 10.1134/S0018151X23050188.
Терехов С.В. Температурные зависимости теплоемкостей Fe, Co и Ni при наличии структурных и магнитных переходов // Письма в ЖТФ. 2024. Т. 50, № 10. С. 18-21. doi: 10.61011/PJTF.2024.10.57704.19331.
Кингери У.Д. Введение в керамику. М.: Стройиздат, 1967. С. 325.
Герасимов Я.И., Гейдерих В.А. Термодинамика растворов. М.: МГУ. 1980. 184 с.
Stølen S., Grande T. Chemical thermodynamics of materials: macroscopic and microscopic aspects. Chichester West Sussex. John Wiley & Sons Ltd, The Atrium. 2004. 396 p.
Лариков Л.Н., Юрченко Ю.Ф. Структура и свойства металлов и спла-вов. Тепловые свойства металлов и сплавов. Справочник. Киев: Наукова думка, 1985. 437 с.
Петрунин Г.И., Попов В.Г. Теплофизические свойства вещества Земли. Ч. 1. М.: МГУ, 2011. 68 с.
Попель П.С., Сидоров В.Е., Бродова И.Г., Кальво-Дальборг М., Дальборг У. Влияние термической обработки исходного расплава на структуру и свойства кристаллических слитков или отливок // Расплавы. 2020. № 1. С. 3-36. doi: 10.31857/S0235010620010065.
Попель П.С., Сидоров В.Е., Кальво-Дальборг М., Дальборг У., Моло-канов В.В. Влияние термической обработки жидкого сплава на его свойства в расплав-ленном состоянии и после аморфизации // Расплавы. 2020. № 3. С. 223-245. doi: 10.31857/S023501062003007X.
Бельтюков А.Л., Русанов Б.А., Ягодин Д.А., Мороз А.И., Стерхов Е.В., Сон Л.Д., Ладьянов В.И. Релаксация в аморфизирующемся расплаве Al–La // Расплавы. 2022. № 5. С. 485-493. doi: 10.31857/S0235010622050024.
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Copyright (c) 2026 Journal of Osh State University. Mathematics. Physics. Technical Sciences

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.