Boron in Palladium: interaction, phase formation and phase transformation

Abstract

The principles for the formation of interstitial solid solution have been described in the past by rules, taking in consideration elastic relationships between solvent and solute atoms. These rules are not applicable on the formation of the solid solution of the late transition metals (a-Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt) and boron. The focus of this work is the binary system Pd-B. It shows the largest homogeneous range of the solid solution of transition metals with boron. The interstitial nature of this solid solution as well as the solid solutions of Pd(C) and the late transition metals (see above) with boron is clarified. It is shown that the chemical interaction plays a more important rule than the geometrical (elastic) interaction in the formation of the interstitial solid solutions. The structure of the palladium-rich borides Pd5B, Pd3B and Pd5B2 has been clarified and refined using X-ray diffraction analysis. Further the formation of the amorphous boride Pd2B has been observed fulfilling the Nagel-Tauc criterion. The solid solution Pd(B) decomposes at lower temperatures in two phases isotypical with the homogeneous solid solution. This phenomenon has been primarily analyzed using X-ray diffraction. The decomposition process is described by use of a structure model for simulating the X-ray diffraction-line profiles. The microstrain in the decomposed state has been measured and compared with that of the initial, quenched supersaturated solid solution. The dislocation density determined by the X-ray line-profile analysis of the homogeneous solid solution has been compared with values resulting from TEM investigations. Temperature uncertainty and unknown specimen displacement are the most severe errors in high temperature X-ray diffractometry, in particular when using a strip heater mounted on a Bragg-Brentano goniometer. A new method is presented which enables the simultaneous determination of the specimen displacement and the temperature of the sample.

Die Prinzipien für die Bildung von interstitiellen Mischkristallen wurden in der Vergangenheit mit Regeln beschrieben, die die elastischen Beziehungen zwischen den gelösten Atomen und den Matrixatomen berücksichtigen. Diese Regel sind nicht für die Bildung von Mischkristalle der Übergangsmetalle (a-Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt) und Bor anwendbar. Der Hauptaugenmerk dieser Arbeit ist auf das binäre System Pd-B gerichtet. Der Pd(B) Mischkristall weist den größten Homogenitätsbereich aller Übergangsmetalle mit Bor auf. Die interstitielle Natur dieses Mischkristalles, der des Systems Pd(C) und der Mischkristalle der o.g. Übergangsmetalle mit Bor wurde nachgewiesen. Es konnte gezeigt werden, daß die chemische Wechselwirkungen eine dominantere Rolle bei der Bildung von interstitiellen Mischkristalle haben als, die o.g. elastischen Wechselwirkungen. Die Struktur der Boride Pd5B, Pd3B und Pd5B2 wurde mit Hilfe der Röntgenbeugung aufgeklärt. Ferner wurde die Bildung des amorphe Borides Pd2B beobachtet. Aus den Röntgenbeugungsdaten konnte die Erfüllung des Nagel-Tauc-Kriteriums gezeigt werden. Der Mischkristall Pd(B) zerfällt bei tieferen Temperaturen in zwei mit dem homogenen Mischkristall isotypen Phasen. Dieser Entmischungvorgang wurde anhand eines Strukturmodelles beschrieben, das zur Simulation der Röntgenbeugungslinien herangezogen wurde. Ferner konnte die durch die Entmischung entstandenen Mikrospannungen mit denen des homogenen Mischkristalles verglichen werden. Temperaturungenauigkeiten und unbekannte Probenhöhen sind die größten Fehler im Bereich der Hochtemperaturdiffraktometie, insbesondere bei der Verwendung der Bragg-Brentano Geometrie und Heizkammern, deren Heizband auch der Präparatträger ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Methodik entwickelt, die es ermöglicht, simultan den Probenhöhenfehler und die Probentemperatur genau zu bestimmen.