авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 34 |

«ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК Сборник научных трудов VII Международной конференция студентов и молодых ученых ...»

-- [ Страница 4 ] --

С учетом перечисленных факторов в настоящее время оптимальным материалом считается синтетический гидроксиапатит кальция Ca10(PO4)6(OH)2 (ГА). Близость состава ГА к составу костной ткани определяет высокую биосовместимость имплантатов на его основе. Такой материал обладает и рядом недостатков: низкой скоростью биорезорбции in vivo, слабым стимулирующим воздействием на рост новой костной ткани (остеоиндукцией).

В общем случае, практически важная процедура оценки такой интегральной характеристики биоматериала как "биоактивность", подразумевает тестирование in vivo (эксперименты с клетками, животными и человеком) [1, 2]. Методы «in vivo» анализа биоматериалов сложны в реализации и требуют больших временных затрат. Ведется активная разработка методик, позволяющих на доклинической стадии исследований оценить биоактивность материала в ходе выполнения относительно простых экспериментов in vitro [2, 3].

Одним из известных способов повышения резорбируемости и остеоиндукции является химическое модифицирование ГА. Анионы оксида кремния (SiO44-) могут быть предложены в качестве возможного модификатора синтетического ГА, так как они являются естественным компонентом человеческого организма (межтканевой жидкости).

Метод ВЧ-магнетронного распыления является одним из методов модифицирования металлической РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» поверхности имплантатов. Он позволяет формировать покрытия с высокой адгезией, а также со стехиометрическим соотношением элементов в покрытии, которое по составу близко к составу исходной мишени [4].

Цель данной работы – получение кремнийсодержащих кальций фосфатных (Si-CaP) покрытий методом ВЧ- магнетронного распыления мишени и исследование их поведения в SBF (Simulated Body Fluid) -растворе. Порошок кремнийзамещенного ГА Са10(РО4)6-х(SiO4)x(НO)2-x (Si-ГА) был получен механохимическим методом: где х = 0,5. Мишень для магнетрона была приготовлена по керамической технологии. В качестве подложек для напыления использовался технически чистый титан ВТ1-0. Для формирования покрытий использовалась промышленная установка 08ПХО-100T-005 с магнетронным источником (рабочая частота ВЧ-генератора 5,28 МГц). Для определения фазового состава сформированного Si–СаР покрытия использован рентгенофазовый анализ (РФА) (дифрактометр Shimadzu XRD – 7000). Для изменения структуры Si-CaP покрытий проводился нагрев на воздухе до 700 °С в течение 3 часов. Элементный состав и морфология поверхности покрытий изучалась на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Quanta 400. В качестве модельной среды в испытаниях имплантатов на биоактивность использовался SBF-раствор при температуре 37°С и pH, близких к физиологическим. Этот раствор идентичен по своему минеральному составу и концентрации ионов плазме крови (табл. 1) [5].

Таблица Ионный состав плазмы крови SBF(ммол/л) Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Cl2– HPO42– HCO3– SO42– SBF 142,0 5,0 1,5 2,5 147,8 4,2 1,0 0, Плазма 142,0 5,0 1,5 2,5 103 27,0 1,0 0, Согласно элементному и рентгенофазовому анализу сформированные покрытия являются аморфными и состоят из кальция, фосфора, кремния, кислорода и углерода (рис. 1). Нагрев покрытий до 700°С приводит к частичной их кристаллизации (рис. 1, а). На рентгенограммах покрытия после нагрева присутствуют рефлексы, соответствующие ГА и Ti. Результаты исследования морфологии (рис. 2,а) показали, что поверхность покрытий является однородной, плотной, не содержит видимых дефектов, трещин и сколов по всей площади.

1) 2) ++ + - Ti # - TiO2 Ca P - HA Ti # O 28 дней в SBF + Интенсивность Интенсивность C Si Ca Ti г) в) отожженные # б) аморфные a) 0 1 2 3 4 Энергия, кэВ 20 30 40 2, Рис.1. (1)Рентгенограммы и (2) элементный состав покрытий на титановой подложке до (а) и после (б) 1,(в)-14,(г)-28 дней погружения в SBF-раствор.

РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» б) в) г) a) Рис. 2. СЭМ-изображения поверхности отожженных Si-CaP (х=0,5) покрытий до (а) и после (б) 1, (в)14, и (г) 28 дней погружения в SBF-растворе.

При исследовании биоактивности покрытий анализировали образование слоя фосфата кальция на СCa2+, мг/л - поверхности покрытий, а также исследовали - концентрацию накопленного иона кальций (Ca2+) в - растворе. Для определения концентрации ионов Са в - растворе использовался метод атомноабсорбионной - спектроскопии (ААС). Результаты исследования 0 5 10 15 20 25 Дни в растворе морфологии покрытий свидетельствуют об образовании ажурного слоя ГА (согласно РФА (рис.

Рис.3. Концентрация накопленного иона кальция (Ca2+) в SBF для отожжённого Si-CaP покрытия на 2,а)) на поверхности покрытий. При исследовании титановой подложке. Продолжительность экспериментов 28 дней. элементного состав образовавшегося слоя было отмечено, что образование нового слоя происходит по механизму «растворение-осаждение». Так толщина данного слоя после 1 дня погружения уменьшается. Однако после 14 дня погружения в жидкость количество Са и Р на поверхности титана становится больше, чем до погружения в раствор. Подобное поведение Si–СаР покрытий при нахождении их в растворе согласуется с результатами, представленными на рис. 3, где приведен кумулятивный выхода ионов кальция из покрытия в SBF-раствор. Во время начального иммерсионного периода наблюдается увеличение концентрации Ca2+ в SBF. Далее концентрация Са существенно уменьшается, что говорит об осаждении кальция из раствора на поверхность покрытий.





Таким образом, методом ВЧ-магнетронного распыления были сформированы кальций фосфатные покрытия на основе кремнийзамещенного гидроксиапатита. Показано, что отожженные покрытия обладают значительной биологической активностью.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. TasA.C, Bhaduri SB. // Biomaterials. – 2000. – V. 21. – P. 1429.

LeGeros R.Z. // Clinical Orthopedics and Related Research. – 2002. – № 395. – P. 81.

2.

3. Tadashi Kokubo, Hiroaki Takadama // Biomaterials. – 2006. – V. 27. – P. 2907.

V.F. Pichugin, R.A. Surmenev, et al. //Surf. Coat. Tech. 202 (2008), Р. 3913-3920.

4.

T. Kokubo, Biomaterials 1991, – № 12: p. 5.

РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» ЯДЕРНАЯ СУДЕБНАЯ ЭКСПЕРТИЗА А.Н. Гудков, А.Ю. Тризна Научный руководитель: доцент, д.т.н. М.Е. Силаев Томский политехнический университет, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 30, E-mail: profil@sibmail.com NUCLEAR FORENSIC INVESTIGATIONS A.N. Gudkov, A.Yu. Trizna Scientific Supervisor: Associate Professor M.E. Silaev Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, E-mail: profil@sibmail.com This paper describes the methodology and analytical methods used in nuclear forensic investigations. These examples represent typical cases that have been analysed at the Institute for Transuranium Elements (ITU) since last 10 years, i.e. the beginning of the illicit trafficking of nuclear materials. Results of the various analytical techniques are shown, which, together with other type of information, reveal the origin of the material.

Since the beginning of the 1990s, cases of illicit trafficking involving nuclear material were started being reported. As a result, nuclear material has become a part of the forensic investigations and a new discipline nuclear forensic science - was developed. Obviously, the question on the origin of the material, its intended used and the last legal owner needs to be answered. The methodology developed in nuclear forensics may also be applied for source attribution of nuclear material in contaminated scrap metal or environmental samples, e.g.

illegal dumping of nuclear waste or accidental release. The source attribution can be achieved using the characteristics inherent to the nuclear material. For each seized sample a specific analytical strategy needs to be developed, taking into account the particular conditions of the seizure, the very nature of the material and of its packing and other evidence. The analytical strategy is based on a step-by-step approach, where experimental results are compared to information on nuclear material of known origin contained in a relational database.

Based on the actual findings, the next step is defined and performed. Numerous analytical techniques are used in the investigations, including radiometric and mass spectrometric techniques as well as electron microscopy [1].

Radiometric Methods Radiometric techniques measure the radiation that radioactive nuclides emit when they decay to a daughter nuclide. Most of the heavy nuclides (e.g. U and Pu) decay by emitting an alpha particle. However, also gamma radiation is often emitted after the alpha decay to bring the daughter nuclide from an excited state to the ground state. Each nuclide emits gamma rays of energies characteristic to this particular nuclide [3].

Gamma spectrometry Gamma spectrometry is the first technique that is used when seized nuclear material is investigated. This is essentially due to the non-destructive character of the technique, gamma rays, i.e. photons of some ten up to several hundred keV are only slightly attenuated by the packing material. The aim of gamma spectrometry is a categorization of the material. i.e. distinguish between naturally occurring radioactive material, radioactive source, radiotherapy nuclide or nuclear material.It should, however, be noted that some nuclides like Pu or РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» U cannot be detected by gamma spectrometry;

in these cases mass spectrometry offers a useful analytical alternative [3].

Alpha spectrometry Alpha particles (He++) having energies of 3 to 8 MeV, are stopped e.g. by a paper sheet, because of their strong interaction with matter. Consequently, an alpha measurement through packing material or shielding is impossible. Alpha spectrometry is a destructive technique, which requires rather laborious sample preparation.

This may include dissolution, chemical separation and thetarget preparation. Especially Pu/Am separation is important, because the alpha particles emitted by238Pu and Am have similar energies and thus overlap in the 239 spectrum. Similarly, the alpha energies of Pu and Pu are very close and cannot be resolved in the spectrum, consequently they can be measured only as a sum [3].

Mass Spectrometric Methods Thermal Ionization Mass Spectrometry The thermal ionization mass spectrometry (TIMS) technique is used for accurate and precise measurements of isotopic ratios of trace nuclear materials present in samples such as soil, vegetation, tissue, and water taken in Pu/239Pu and Pu/239Pu ratios determine the presence of weapon vicinity of nuclear facility. In particular, the grade material and contain information about the origin of the materials. The main method used for analyzing samples containing U and Pu isotopes is the total evaporation technique. Usually a tungsten filament is used for evaporation and a rhenium filament is used for ionization.

Prior to analysis, trace levels of uranium and plutonium are separated from the bulk of sample through chemical preprocessing. The sample matrix is destroyed by acid digestion, microwave digestion, or other techniques. Extraction of the target species is done by ion-exchange chromatography, extraction chromatography, or other technique. The main advantage of the TIMS technique is the almost complete consumption of the sample under investigation which results in reduced isotopic fractionation. Bulk measurement with TIMS can detect levels of Pu and U typically in low femtogram15 grams) range. An ( automatic measurement takes about 20 min.[2].

Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) is used to measure the concentrations and the isotope ratios of U and Pu in a sample. ICP-MS has clear advantages in multielement analysis: speed of analysis, better detection limits than other atomic spectroscopic techniques such as flame atomic absorption, graphite furnace atomic absorption, and inductively coupled plasma–optical emission spectrometry. There are three common types of the ICP-MS instruments used for isotopic analyses of U and Pu samples: a high-resolution type (HR-ICP-MS), a multicollector type (MC-ICP-MS), and a quadrupole type (Q-ICP-MS) [2].

Quadrupole Mass Analyzer Technology The Quadrupole mass analyzer (Q-ICP-MS) consists of four cylindrical rods which generate both RF and DC electrical fields.

In the Quadrupole system, the mass analyzer is created by connecting the two pairs of rods in such a manner that the X plane acts as a low mass filter and the Y plane acts as a high mass filter. By carefully matching the two fields, only ions of a particular mass are able to resonate at the correct frequency allowing them to pass through the Quadrupole system at any time. This scanning process is then repeated for another analyte ion at a completely different mass-to-charge ratio until all the analytes in a multielement sample have been detected. Quadrupole scan rates are typically in the order of 2500 atomic mass units (amu) per second. In РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» practice, 25 elements can be determined with good precision in 30–60 seconds. However, quadrupole technology can separate only masses that are approximately 1 amu apart. If there is a severe spectral interference very close to the analyte mass, the resolution will not be sufficient to resolve the interference away. Modern Quadrupole systems are able to detect trace elements at levels in the low ppb (part per billion) range and oftentimes ppt (part per trillion) range [2].

Particle analysis Secondary Ion Mass Spectrometry In the Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) technique, the surface of a sample is bombarded by high energy ions. The most commonly employed ions used for bombarding are O+2 and O, but other ions (e.g., Cs+, Ar+, and Ga+) are preferred for some applications. This leads to sputtering of both neutral and charge species from the surface. The ejected species may include atoms, clusters of atoms, and molecular fragments. The secondary ions are accelerated and separated according to their mass in a magnetic field and finally detected with one of several devices. The SIMS instruments produce an image of the sample using secondary ions of a chosen mass. A sample containing uranium particles will produce an image using 238U+ ions (using the “ion microscope” mode of operation). By storing an image using 238U+ and 235U+ ions, it is possible to measure the “enrichment” of particles in a sample [2].

Electron Microscopy Specimens of the powders were prepared for examination by scanning electron microscopy (SEM) by fixing a small, dispersed sample on an aluminium specimen stub and lightly coating with carbon to ensure good electrical conductivity. The SEM used was a Philips XL40, which has been specially modified for the examination of radioactive and contaminated specimens by mounting the microscope column and pumping system in a glovebox separated from the control console. The microscope is equipped with an EDAX energy dispersive X-ray analysis system. The powder consists of irregularly shaped particles in the approximate size range 100. A high magnification image of the surface of a single particle revealed that the particle consists of an agglomerate of very fine particles with an average size of about 0.25. Some of the particles were cross-sectioned to reveal the internal structure. The internal structure of the particles was identical to the surface structure;

thus confirming that the particles are agglomerates of very fine grained material [1].

REFERENCES 1. M. Wallenius, K. Mayer, I. Ray. Nuclear forensic investigations: Two case studies. European Commission – Joint Research Centre. Institute for Transuranium Elements (ITU) Karlsruhe, Germany 2005. – 60 с.

2. Piksaikin V.M, Pshakin G.M., Roshchenko V. A. Review of Methods and Instruments for determining undeclared nuclear materials and activitie. Science and Global Security. – С.14;

49– 3. K. Mayer, M. Wallenius, I. Ray. Tracing the origin of diverted or stolen nuclear material through Nuclear Forensic Investigation. SIPRI Yearbook: Armaments, disarmament and international security. Oxford university press, 2006. – 19 с.

РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» СОРБЦИЯ ВОДОРОДА МНОГОСТЕННЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ Л.В. Гулидова, Н.А. Дуброва, А.М. Лидер Научный руководитель: Н.А. Дуброва Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, E-mail: l_gulidova@sibmail.com THE SORPTION OF HYDROGEN BY MULTIWALL CARBON NANOTUBES L.V. Gulidova, N.A. Dubrova, A.M. Lider Scientific Supervisor: N.A. Dubrova Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, E-mail: l_gulidova@sibmail.com In work the sorption properties of samples of the carbon material containing different quantity multiwall carbon nanotubes have been investigated.

В силу недолговечности нефтяных ресурсов водород как высокоэффективный и экологически чистый энергоноситель имеет большие перспективы для широкого использования в энергетике, особенно как топлива для транспортных средств. В связи с этим последние десятилетия ученые активно ищут способы его хранения и транспортировки. В настоящее время ни один из существующих методов хранения водорода (под высоким давлением, в адсорбированном состоянии при пониженных температурах, в жидком состоянии, в виде гидридов металлов и интерметаллических соединений) не удовлетворяет предъявляемым требованиям к системам хранения [1]. Резервуарами хранения водорода могут служить углеродные нанотрубки. Поэтому в настоящее время большое количество исследований посвящено изучению особенностей сорбции водорода углеродными нанотрубками.

В НИИ ядерной физики ТПУ (г. Томск) разработана методика получения высокодисперсного углеродного материала, содержащего многостенные нанотрубки, полученные конверсией природного газа. При этом используется природный газ с содержанием СН4 – 95 %, остальное – С2+ – углеводороды.

Особенностью процесса является совмещение металлических катализаторов и воздействия СВЧ – поля на катализатор и метан. Конверсия природного газа осуществлена в проточном реакторе волноводного типа в присутствии СВЧ-разряда на частоте 2450 МГц. Для поддержания разряда и нагрева катализатора использовался регулируемый СВЧ источник с максимальной выходной мощностью 1,5кВт.

Образующиеся наночастицы углерода выносятся водородной плазмой с поверхности катализатора в постреакторное пространство, где собираются в сборнике. В результате этого получается углеродный материал не содержащий металл. В качестве катализаторов используются металлы Ni, Fe, Mo, Ti и интерметаллиды TiNi и AlNi [2].

Получаемый нанодисперсный углерод содержит разные модификации углерода: нанотрубки, фуллерены, многослойные полиэдрические наночастицы, микрокристаллы графита и аморфного углерода. Содержание углеродных нанотрубок в продуктах синтеза не превышает 20–70 % (для разных методов), поэтому проводится химическая очистка от примесей для получения углеродного материала с большим содержанием углеродных нанотрубок [3].

РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» Исследовали сорбционные свойства образцов углеродного материала, содержащего различное количество многостенных нанотрубок. Первая серия образцов содержала 68% многостенных углеродных нанотрубок. Вторая серия образцов содержала 83% многостенных углеродных нанотрубок.

Для измерения сорбции водорода в углеродных нанотрубках был использован автоматизированный комплекс «Gas Reaction Controller»,основанный на методе Сивертса, при котором насыщение водородом идет из газовой фазы при различной температуре [3]. Образцы насыщались при температуре 293–300 К, давлении водорода 0,4 МПа в течение 3600 с. Каждая серия образцов исследовалась на сорбцию водорода втечении 3 циклов. Для первой серии образцов с каждым последующим циклом сорбции емкость по водороду практически не изменялась и составила 1,2 масс. % 3, 1, Содержание водорода, мас. % 2, Содержание водорода,% 1,0 2, 1, 0, 1, 0,0 0, 0, -0, 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Время насыщения, с Время насыщения, с Рис.1. График зависимости содержания водорода Рис.2. График зависимости содержания водорода от времени насыщения в первом образце. от времени насыщения во втором образце.

Для второй серии образцов с каждым последующим циклом сорбции емкость по водороду изменилась незначительно и составила 2,2%. Из полученных данных видно, что емкость по водороду для образцов с большим содержанием аморфного углерода меньше,чем для образцов с большим содержанием УНТ, что согласуется с литературными данными [4]. Весь адсорбированный углеродными нанотрубками водород освобождался при нормальном давлении и комнатной температуре. Это доказывает высокую эффективность использования многостенных углеродных нанотрубок в качестве носителей для водорода.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Тарасов Б.П., Гольдшлегер Н.Ф. Сорбция водорода углеродными наноструктурами. – Альтернативная энергетика и экология, 2002. – №3. – С.20 – 38.

2. C. И.Галанов, А.Г.Жерлицын. Получение водорода и высокодисперсного углеродного материала из природного газа//Сборник «Нефтегазопереработка и нефтехимия 2006» – Уфа: ГУП, 2006. – 3с.

3. Ю.С.Нечаев. Об интеркаляции водорода в углеродные наноструктуры и спилловер-эффекте в связи проблемой хранения водорода на борту автомобиля. – М.: Институт металловедения и физики металлов им. Г.В. Курдюмова. ФГУП «ЦНИИчермет» имени И.П.Бардина, 2007. – 3 с.

4. И.П. Чернов. Методы исследования систем металл – водород.

5. А.В. Елецкий. Сорбционные свойства углеродных наноструктур. – Успехи физических наук, 2004.

– Т.174. – №11. – С.1213–1217.

РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ТЕМПЕРАТУРЫ МАРТЕНСИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ В МОНОКРИСТАЛЛАХ TI-NI-10CU Ю.Н. Данильсон Научный руководитель: доцент, д. ф.-м. н. И.В. Киреева Томский политехнический университет, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30, ОСП «Сибирский физико-технический институт ТГУ», Россия, г. Томск, пл. Новособорная, 1, E-mail: lesoto@sibmail.com THE INFLUENCE OF HYDROGEN ON TEMPERATURES OF MARTENSITIC TRANSFORMATION IN TI-NI-10CU SINGLE CRYSTALS Yu.N. Danilson Scientific supervisor: Dr. I.V. Kireeva Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, 30 Lenina Ave., Siberian Physical-Technical Institute at TSU, sq. Novosobornaya, 1, 634050, Tomsk, Russia E-mail: lesoto@sibmail.com On single crystals of alloy Ti-40Ni-10Cu the influence of hydrogen on temperatures martensitic transformations is investigated. It is shown, that hydrogen in single crystals of alloy Ti-40Ni-10Cu does not suppress thermoelastic martensitic transformations, lowers MS and increases a temperature hysteresis of martensitic transformations.

В последние годы большое внимание теоретиков и экспериментаторов привлекает проблема взаимодействия водорода с металлами. Особый интерес представляет взаимодействие водорода со сплавами, испытывающими термоупругие мартенситные превращения (МП) [1, 2]. Так, в [1] методом рентгеновского анализа изучалось влияние водорода на фазовые превращения в никелиде титана TiNi, где было показано, что водород может индуцировать термоупругие МП. В [2] в бинарных сплавах никелида титана изучалось влияние водорода на температуру начала прямого МП при охлаждении MS, где было отмечено, что повышение температуры MS при наводороживании может быть связано с понижением энергии связи атомов металла. В настоящей работе методом зависимости электросопротивления от температуры исследовано влияние водорода на температуры МП и термический гистерезис на (T) монокристаллах никелида титана, легированного медью, Ti-40Ni-10Cu (мас. %). В отличие от ранее исследованных в [1, 2] бинарных сплавов TiNi, в которых наблюдается одностадийное В2-В19’ МП (В2 аустенитная ОЦК фаза, В19’ – моноклинный мартенсит), в монокристаллах Ti-40Ni-10Cu имеет место двухстадийное B2-B19-B19’ МП ( В19- орторомбический мартенсит), что позволяет выяснить влияние водорода на стадийность МП и термический гистерезис. Кроме того, использование монокристаллов для исследования влияния водорода на температуры МП позволят избежать осложнений, связанных с наличием границ зерен, которые приводят к неоднородным распределениям водорода между телом зерна и границей.

Монокристаллы Ti-40Ni-10Cu (масс. %) были выращены методом Бриджмена в среде инертного газа.

После роста кристаллы гомогенизировали при 1173 К в течение 24 часов. Образцы с размером рабочей части 10х1,5х1,5 мм вырезали на электроискровом станке. Наводороживание осуществлялось в 1М растворе H2SO при 300 К и плотности тока 700 А/м2. Температуры МП при охлаждении MS и Mf (Mf – температура конца РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» прямого МП при охлаждении) и AS, Af при нагреве (AS – температура начала обратного МП при нагреве, а Af – температура конца обратного МП при нагреве) определяли по перегибам на кривой зависимости (T).

Исследование температур МП методом зависимости показали, что в исходных кристаллах Ti (T) 40Ni-10Cu без водорода наблюдается двухстадийное B2-B19-B19’ МП. При легировании водородом на зависимости обнаруживается только один мартенситный переход, что может быть связано с (T) одновременным началом превращения В2 фазы в B19 и B19’ мартенситы. Таким образом, при Т MS в кристаллах Ti-40Ni-10Cu после наводороживания имеет место композит. В связи с этим, в настоящей работе анализируется влияние водорода только на второе B19-B19’ МП.

На рис. 1 представлены температурные гистерезисы в координатах «объемная доля мартенсита температура» для кристаллов Ti-40Ni-10Cu в зависимости от времени насыщения водородом и от времени вылеживания после наводороживания. Количественные изменения температур МП и величин, характеризующих температурный гистерезис, представлены в таблице 1.

Рис. 1. Температурные гистерезисы для монокристаллов сплава Ti-40Ni-10Cu (мас. %) а) исходный кристалл без водорода;

б) +5ч Н2;

в) +5ч Н2 с последующим вылеживанием в течение 7 сут.;

г) +11ч Н2;

д) +11ч Н2 с последующим вылеживанием в течение 7 сут.

Из рисунка 1,а видно, что в исходном состоянии МП начинается при температуре MS =279 К.

Значительные значения переохлаждения Г1=Mf-MS и нагрева Г2= AS-Af, равные, соответственно, 109 К и 122 К, свидетельствуют о накоплении упругой энергии при прямом мартенситном переходе и ее снятии при обратном переходе. Петля термического гистерезиса имеет несимметричный вид 1 = MS-Mf = 3K 2 = AS-Af = 16K и 1 = 0.2. Несимметричность термического гистерезиса свидетельствует о том, что накопленная при прямом мартенситном превращении упругая энергия консервируется в кристалле, и для ее расконсервирования требуется значительный перегрев Mf-AS. Низкие значения температурного гистерезиса 1, 2 и высокие значения Г1, Г2 свидетельствуют о термоупругой природе МП.

Интересно, что AS MS и, следовательно, в кристаллах при прямом МП запасается значительная упругая энергия, которая не диссипирует за счет образования дефектов кристаллического строения и РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» способствует началу обратного МП за счет запасенной упругой энергии при AS T0. Здесь T0 – температура химического равновесия фаз, которая определяется химическим составом сплава.

Таблица Температуры мартенситного превращения для монокристаллов Ti-40Ni-10Cu (мас. %) Ms, К Mf, К As, К Af, К Г1, К Г2, К T0, К 1, К 2, К Исходный 279 170 173 295 109 122 3 16 +5ч Н2 267 171 181 300 96 119 10 33 283, +5ч Н2 + вылеживание 7сут. 274 163 185 302 111 117 22 28 +11ч Н2 273 171 181 307 102 126 10 34 +11ч Н2 + вылеживание 7сут. 277 174 195 304 103 109 21 27 290, При наводороживании кристаллов в течение 5 и 11 часов MS уменьшается, соответственно, на 12К и 6К по сравнению с исходным состоянием без водорода (рис.1, б, г). Ранее в [2] на бинарных сплавах TiNi при близких режимах наводороживания было показано, что MS при наводороживании, напротив, возрастает. Такое различие в изменении MS в бинарных и тройных сплавах TiNi может быть связано с различной природой влияния водорода на один тип мартенсита В19’ или на смесь двух типов мартенсита В19 и В19’ в кристаллах Ti-40Ni-10Cu. Температурный гистерезис остается несимметричный 1 2.

Однако происходит рост температурных гистерезисов 1, 2 по сравнению с исходным состоянием за счет увеличения температур AS, Af и понижения MS. Сохранение низких значений температурного гистерезиса 1, 2 и высоких значений Г1, Г2 при наводороживании свидетельствуют о том, что водород не подавляет термоупругую природу МП.

При наводороживании кристаллов в течение 5 и 11часов с последующим вылеживанием в течение суток MS повышается, соответственно, на 7 К и 4 К по сравнению с наводороженным состоянием и приближается к MS в исходных кристаллах без водорода (табл. 1). Следовательно, водород не вызывает необратимых изменений в структуре кристаллов сплава Ti-40Ni-10Cu. Петли температурного гистерезиса за счет повышения температур AS и MS (рис. 1, в, д) приобретают симметричный вид 1 2, обычно наблюдаемый при термоупругих мартенситных переходах.

Af + M s Из таблицы 1 видно, что температура T0 = при наводороживании изменяется. Так как концентрация никеля, титана и меди в сплаве не меняется, то вариация T0 от времени наводороживания свидетельствует об изменении концентрация водорода в кристаллах.

Таким образом, на монокристаллах сплава Ti-40Ni-10Cu показано, что водород не подавляет термоупругие МП, понижает MS и увеличивает температурный гистерезис МП.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Шоршоров М. Х., Степанов И. А., Фломенблит Ю. М., Травкин В. В. Фазовые и структурные превращения, вызываемые водородом в сплавах на основе никелида титана // ФММ. – 1985. – Т. 60. – вып. 2. – С. 326 – 333.

2. Степанов И. А., Фломенблит Ю. М., Займовский В. А. Влияние водорода на температуру термоупругого мартенситного превращения в никелиде титана // ФММ– 1983. – Т. 55. – вып. 3. – С.

612 – 614.

РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ Nb-Al, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ К.И. Денисов Научный руководитель: к.ф.-м.н. И.А. Дитенберг Томский государственный университет, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 36, E-mail: Denisov_ki@mail.ru STRUCTURE AND PROPERTIES OF NB-AL NANOCOMPOSITES PRODUCED BY MECHANICAL ACTIVATION K.I. Denisov Scientific Supervisor: Dr. I.A. Ditenberg Tomsk State University, Russia, Tomsk, Lenin str., 36, E-mail: Denisov_ki@mail.ru Nanostructured niobium-50% aluminum composites were produced by mechanical activation of the elemental powders in a planetary ball mill with different milling times. Structure and thermal behavior of milled powders was investigated by X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopy, differential scanning calorimetry. Mechanical properties were studied by microhardness measurement. Intermetallic compound Nb2Al was formed during both mechanical activation and subsequent heating in a calorimeter.

Обработка материала в шаровых мельницах является перспективным методом порошковой металлургии, позволяя реализовать в материале метастабильные состояния, энергетически далекие от равновесия. Традиционно метод применяется для создания пересыщенных твердых растворов, низкотемпературного синтеза соединений, приготовления смеси-прекурсора для последующей химической реакции, получения дисперсно-упрочненных, наноструктурных и аморфных сплавов [1].

Однако, несмотря на широкое применение этого метода, на сегодняшний день не разработано адекватной теоретической модели механизмов деформации и перемешивания вещества в процессе подобной обработки. Во многом это обусловлено недостатком экспериментальных исследований, связанных с изучением микроструктуры материала и ее эволюции в процессе деформации.

В настоящее время интерметаллиды на основе системы Nb-Al (Nb3Al, Nb2Al, NbAl3), совмещая малую плотность и высокую термическую стабильность, рассматриваются в качестве перспективных материалов для применения в транспортной и аэрокосмической индустрии [2]. Следует заметить, что ввиду высокой температуры плавления ниобия синтез интерметаллидов данной системы традиционными методами затруднен, но при этом они могут быть получены как непосредственно в результате длительного воздействия в шаровых мельницах [3], так и при кратковременной механической активации (МА) с последующей термообработкой и компактированием при относительно низких температурах [4].

Также известно, что формируемое в процессе обработки нанокристаллическое состояние материала часто приводит к повышению его прочностных свойств.

Целью работы является исследование влияния длительности воздействия в планетарной шаровой мельнице на структуру и свойства механокомпозитов на основе системы Nb-Al.

РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» Механической активации в планетарной шаровой мельнице АГО-2 были подвергнуты смесь порошков ниобия (99,98 %) и алюминия (98 %, марки ПА-4) в эквиатомной пропорции, а также чистый порошок ниобия, продолжительность воздействия составляла несколько минут (см. таб. 1). Шары и барабаны мельницы изготовлены из стали, во избежание окисления обработку проводили в атмосфере аргона. Центробежное ускорение шаров (энергонапряженность мельницы) составляло 40g.

Сложный характер эволюции структуры материала в процессе обработки обуславливает необходимость комплексного исследования с применением локальных и интегральных структурно аналитических методов в сочетании с методами изучения физико-механических свойств. Исследования проводились методами рентгеноструктурного анализа, растровой и просвечивающей электронной микроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии. Контроль механических свойств проводился на основе измерения микротвердости композитов.

Исследование методом растровой электронной микроскопии показало, что после механической активации в шаровой мельнице размер порошинок находится в широком интервале значений, наблюдаются порошинки диаметром менее 1 мкм и более 100 мкм (рис.1). Крупные порошинки в начале обработки имеют выраженную пластинчатую форму, но в дальнейшем становятся более равноосными.

На их поверхности наблюдаются трещины и отслоения.

Рис.1 Порошок Nb+Al после 4 минут МА Рис.2 Рентгенограммы Nb-Al после МА Важным результатом рентгеноструктурного анализа является обнаружение интерметаллической фазы Nb2Al уже после 1 минуты обработки, о чем свидетельствует появление соответствующий дифракционных пиков на рентгенограммах (рис.2). По результатам анализа установлено, что объемная доля интерметаллида увеличивается с продолжительностью МА от 0,6 до 13,5 вес.% соответственно после 1 и 6 минут. Анализа уширения дифракционных пиков показал, что наряду с уменьшением размера ОКР в процессе обработки наблюдается рост микроискажений кристаллической решетки. В чистом Nb величина микроискажений достигает 1,5 %, что свидетельствует о высоком уровне внутренних напряжений. Микроискажения кристаллической решетки ниобия в составе смеси Nb+Al меньше (0,6% после 6 минут МА), но при этом процессы наноструктурирования протекают более интенсивно.

Наномасштабный размер зерен также подтверждается результатами просвечивающей электронной микроскопии. Обнаружено, что порошинки представляют собой конгломераты кристаллитов диаметром 10-20 нм, причем зерна сильно искажены и имеют сложную высокодефектную субструктуру.

Помимо этого наблюдается интенсивные процессы релаксации при взаимодействии материала с электронным пучком, что свидетельствует о высоком уровне запасенной энергии деформации и сильно осложняет исследование.

РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» Параметры микротвердости крупных порошинок были измерены путем закрепления их в эпоксидном клее, средние значения представлены в табл. 1. Наблюдаемое упрочнение можно объяснить уменьшением размеров зерен и увеличением плотности дефектов в объеме и на границах зерен.

Таблица Микротвердость (H), размер ОКР (L) и величина микроискажений решетки (d/d) порошков чистого Nb и Nb+Al после МА T, мин 0,5 1 1,5 2 3 4 5 Nb 1,4 3,4 4,6 4,9 5,7 7,2 7, H, Па Nb-Al 1,1 2,7 3,2 4,6 4, Nb 45 41,4 38,4 31,6 26, L,нм Nb в Nb-Al 64 25 22 16,6 Nb 0,83 0,92 0,95 1,2 1, d/d,% Nb в Nb-Al 0,21 0,11 0,22 0,41 0, Теплофизические исследования, проведенные методом дифференциальной сканирующей калориметрии, показали, что при нагреве в порошке наблюдается несколько тепловых эффектов, зависящих от продолжительности обработки (рис.3). Эндотермический пик вблизи 660 °С соответствует плавлению алюминия. По мере увеличения продолжительности МА пик уменьшается, полностью исчезая к 6 минутам МА. Одновременно появляется и растет экзотермический пик вблизи 350 °С, который можно Рис. 3 Кривые ДСК порошка Nb+Al объяснить протеканием реакции между Nb и Al с образованием интерметаллида (вероятно, Nb2Al). Увеличение полноты протекания реакции с увеличением длительности обработки можно объяснить уменьшением размера зерна реагентов, и, следовательно, уменьшением необходимого расстояния диффузионного пробега. Широкий экзотермический эффект с максимумом вблизи 550 °С предположительно обусловлен релаксацией дефектной субструктуры.

Таким образом, в процессе МА смеси порошков Nb и Al формируется высокодефектное наноструктурное состояние, что сопровождается упрочнением материала. Обнаружено формирование интерметаллического соединения (Nb2Al) как непосредственно в процессе МА, так и при последующем нагреве.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Suryanarayana C. Mechanical alloying and milling // Progress in Material Science. – 2001, №46. p. 1 – 184.

2. Dollar A., Dymek S. Microstructure and high temperature mechanical properties of mechanically alloyed Nb3Al-based materials // Intermetallics. – 2003, №11. p. 341–349.

3. Nandi P. et al. Solid state synthesis of Al-based amorphous and nanocrystalline Al-Cu-Nb alloys // Materials Science and Engineering A. – 2003, №359. p. 11–17.

4. Gauthier V. et al. Synthesis of nanocrystalline NbAl3 by mechanical and field activation // Intermetallics. – 2001, №9. p. 571–580.

РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫХ ЭКСИМЕРНЫХ ЛАЗЕРОВ М.Г. Дырдин, Я.Ю. Королева Научный руководитель: к. ф-м.н. Ю.Н. Панченко ИСЭ СО РАН, Россия, г. Томск, пр. Академический, 2/3, E-mail: max_stud@inbox.ru THE RESEARCHING OF ELECTRIC DISCHARGE EXCIMER LASERS M.G. Dyrdin, Y.Yu. Koroleva Scientific supervisor: PhD Yu.N. Panchenko IHCE SB RAN, Russia, 2/3 Akademichesky Avenue, Tomsk, E-mail: max_stud@inbox.ru In this work the object of the study is the electric pulse-periodic excimer gas laser. In our investigations the и XeCl*. The goal of the sudy is the comparison of laser radiation laser worked on molecules KrF* characteristic for different gases. The study is experimental one. The conditions of active medium existence are determined. These conditions of electric discharge excimer laser allow to form the radiation with the divergence close to diffraction one.

Интенсивное развитие микроэлектроники и возможность эффективного применения в этой области электроразрядных импульсно-периодических эксимерных лазеров вызывает у исследователей интерес к дальнейшему изучению и совершенствованию таких типов лазеров. Основными требованиями предъявляемыми к эксимерным лазерам являются: высокий КПД, большая пиковая и средняя мощности, взможность быстрой смены активной среды, надежность и компактность конструкции, высокое качество излучения, а также продолжительное время работы в частотном режиме.

При решении ряда технологических задач предъявляются определенные требования к характеристикам излучения эксимерного лазера. Известно, что излучение эксимерных лазеров имеет низкое качество пучка. Это обусловлено малым временем существования инверсной населенности (~ нс), высоким коэффициентом усиления активной среды и разлетным нижним термом. Также на качество пучка влияют неоднородности в разряде, приводящие к искажениям волнового фронта излучения.

Необходимые характеристики излучения могут быть получены при использовании специальных селективных и неустойчивых резонаторов.

Актуальной задачей, несомненно, является создание лазера не только с высокими выходными параметрами, но и одновременное упрощение конструкции лазера, что приведет к большей надежности и меньшей стоимости, соответственно.

В данной работе приводятся экспериментальные Рис.1. Внешний вид исследуемого лазерного макета.

результаты электроразрядного импульсно-периодического эксимерного мультигазового лазера. В ходе работы исследовалась работа лазера на молекулах KrF* и XeCl*.

Внешний вид лазера представлен на рис.1. В лазере использовалась двухконтурная электрическая схема накачки, представленная на рис. 2. Предыонизация разрядного промежутка осуществлялась УФ – излучением, которое возникало при срабатывании двух рядов искровых промежутков, расположенных по РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» обе стороны от электродов. Конденсатор С1 = 107,4 нФ (состоял из конденсаторов TDK UHV-6A, 2700 pF & 30 kV) заряжался от источника постоянного напряжения до U = 24 кВ. В качестве коммутатора использовался тиратрон ТПИ3 10k/25.

Оптимальное значение индуктивности первого контура L1 = 150 нГ позволило обеспечить эффективную перезарядку первого конденсатора на второй за сравнительно большое время ~180 нс.

Рис.2. Принципиальная электрическая схема накачки лазера C1= 107 нФ;

Конденсатор во втором контуре С2 =74 нФ разряжался через плазму и C2=37.34 нФ. R3 – токовый шунт, R1/R2 – обеспечивал накачку активной среды. Компоновка лазерной камеры и омический делитель.

конденсаторов С2 позволила достигнуть малой индуктивности L2= 4 нГ, что обеспечило малую длительность импульса накачки и большой ток в плазме до 65 кА.

Электроды имели длину 65 см с расстоянием между Ne:Xe:HCl-925:15:1, P=3,7 atm.

U0 = 24 kV, E = 0,7 J. I ними 2,8 см. Эффективная ширина разряда была 0,7–0,9 см. I,U,Plas, kA,kV,a.u Радиус рабочей поверхности электродов составлял 60 мм. Int Длина резонатора составляла 100 см, зеркала имели коэффициенты отражения 0,95 и 0,07 для длин волн 308 и 248 нм. Измерение временного поведения напряжения и U - тока на конденсаторе С2 проводилось с помощью - осциллографа TDS-3032. Измерение временной формы -200,0n -100,0n 0,0 100,0n лазерного пучка проводилось фотодиодом ФЭК 22СПУ с t, c F2/He : Kr : Ne = 120 : 80 : помощью осциллографа TDS-3032. Энергия излучения 60,0k I E = 540 mJ, U = 24kV регистрировалась калориметром На рис. Gentec-E. 40,0k I,U,Plas, A,V, представлена ВАХ разряда для смеси Ne:Xe:HCl=925:15:1, Р 20,0k Int = 3,7 атм. и F2/He:Kr:Ne=120:80:3200 соответственно. 0, Активный объем : 28: 6,5: 640 мм3, Р = 3.4 атм, U0 = 24 кВ, E U -20,0k = 0.54 Дж для KrF лазера. Активный объем : 28: (6.5-7.5) :

-40,0k 640 мм3, Р = 3,7 атм, U0 = 24 кВ, E = 0,7 Дж для XeCl лазера.

-200,0n -100,0n 0,0 100,0n КПД XeCl лазера составило (запасенная энергия/излучение) t, s Рис.3. Осциллограммы тока, напряжения на = 2,26%, а KrF лазера 1,74% соответственно. разрядном промежутке и временная форма лазерного импульса.

Из приведенных осциллограмм видно, что при работе KrF лазера, лазерное излучение заканчивается значительно раньше, чем для XeCl лазера. С нашей точки зрения, данный эффект можно объяснить тем, что в газовой смеси с использованием галогена F2 происходит более быстрое развитие неустойчивостей, которые сокращают длительность импульса излучения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Miyazaki K, Toda Y., Hasama T., Sato T. Efficient and compact discharge XeCl laser with automatic UV preionization. Rev. Sci. Instrum., 56, 201–204, 1985.

2. Панченко Ю.Н., Иванов Н.Г., Лосев В.Ф. «Особенности формирования активной среды в короткоимпульсном электроразрядном XeCl лазере», Квантовая электроника, 35(9), 618-620, 2005.

3. Аттежев В.В., Вартапетов С.К., Жуков А.Н., Кузманов М.А., Обидин А.З. Эксимерный лазер с высокой когерентностью//Квантовая электроника – 2005. – Т.33, № РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» СВ-СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ КАРБОСИЛИЦИДА ТИТАНА М.А.Дюкарев, А.М. Шульпеков, О.К. Лепакова Научный руководитель: с.н.с. О.К. Лепакова Томский государственный университет, Россия, Томск, пр. Ленина, 36, E-mail:m-m@sibmail.com SELF-PROPAGATING HIGH-TEMPERATURE SYNTHESIS AND STUDY ELECTROCONDUCTIVE PROPERTY ON THE BASIS OF CARBOSILICIDE OF TITAN M.A. Dukarev, A.M. Shulpekov, O.K. Lepakova Scientific supervisor: O.K. Lepakova Tomsk State University, Russia, Tomsk, Lenin str.,36, E-mail:m-m@sibmail.com It is shown the possibility of production of materials based on Ti3SiC2 by SHS using a silicon-containing component FeSi. It is shown that the annealing and addition of TiSi2 leads to an increase in the content in the final product Ti3SiC2. Studied conductive properties of SHS materials based on Ti3SiC2.

К числу наиболее новых материалов относится семейство так называемых МАХ – соединений, представляющих собой карбиды, нитриды, отвечающие формуле Мn+1АХn, где М – переходный материал, А – элемент IIIA или IVА группы, а Х – углерод или азот. Наиболее изученным и перспективным среди соединений данного класса является карбосилицид титана Ti3SiC2.

Благодаря особенностям строения кристаллической решетки, Ti3SiC2 характеризуется уникальным сочетанием физико-химико-механических свойств: высокой температурой разложения (2300 °С), низкой плотностью (4,5 г/см3), высокими значениями модулей упругости (326 ГПА) и сдвига (135 ГПА), и одновременно не очень высокой (для карбидов) твердостью (4–7 ГПа). Вязкость разрушения при комнатной температуре (7-12 МПА м), тепло- и электропроводность выше, чем у титана[1].Однако, несмотря на уникальность полезных в практическом отношении свойств, Ti3SiC2 до настоящего времени не нашел широкого применения в материаловедении. Одним из сдерживающих факторов для широкого использования Ti3SiC2 в материаловедении является сложность получения его в виде однофазного продукта. Идея предлагаемого нами способа получения однофазного Ti3SiC2 состоит в том, чтобы использовать не чистый кремний, а его соединение с железом – FeSi, содержащее 80 мас.% Si.

Цель работы: получение материала на основе карбосилицида титана методом СВС, получение на его основе полимерных электропроводящих компаундов и изучение их свойств.

Для синтеза образцов использовались порошки: FeSi (ФС-75), Ti (ПТС), C (ПМ-15). Составы синтезированных образцов определяли с помощью рентгенофазового анализа. Съемки проводили на рентгеновских установках ДРОН-2(Co K). Дифрактограммы обрабатывали с помощью программы «Powder Cell». Порошки реагентов в требуемых пропорциях тщательно перетирали в фарфоровой ступке до получения однородной смеси. Смесь подвергали холодному одностороннему прессованию в стальной пресс-форме при давлении Р = 40 кгс/см2 для получения образцов в форме цилиндра =15мм. Синтез проводили в реакторе постоянного давления. Были проведены три реакции в различных средах: FeSi+3Ti+2C (избыток FeSi (20%), среда азот);

FeSi+3Ti+2C (избыток FeSi (30%), среда аргон);

FeSi+3Ti+2C (избыток FeSi (20%), среда аргон).

РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» По данным рентгеноструктурного анализа в продуктах синтеза, кроме основной фазы Ti3SiC2, присутствуют пики, принадлежащие карбиду титана (~10–15 об. %) (рис. 1). Кроме того, на дифрактограмме видны слабые пики, которые не удалось расшифровать. По данным микрорентгеноспектрального анализа они принадлежат фазе на основе железа. По данным количественного рентгенофазового анализа (Powder Cell) наименьшее содержание карбида титана (TiC) в образце №2. При СВ-синтезе конечный продукт не успевает сформироваться до конца. Для приведения продукта к равновесному состоянию был проведен отжиг при температуре Т = 1250 С (3 часа). Поскольку в конечном продукте присутствует карбид титана, то предполагалось, Рис.1.Дифрактограммы СВС-продуктов что небольшие добавки TiSi2 увеличат содержание 1 – FeSi+3Ti+2C (FeSi(20%),N2);

2 – FeSi+3Ti+2C (FeSi (30%), Ar);

карбосилицида титана в спеченном продукте за 3 – FeSi+3Ti+2C ( FeSi (20%), Ar)).

счет взаимодействия карбида с силицидом титана.

Поэтому также был проведен отжиг при температуре Т=1250 С, но с добавкой к конечному продукту 5 мас. % TiSi2. На рис. 2. приведены дифрактограммы образцов до и после отжига, а так же с добавкой 5% TiSi2. Видно, что отжиг и добавка TiSi2 привели к уменьшению TiC в конечных продуктах.

Образцы для электропроводящих покрытий готовили путем смешивания порошка Рис 2. Дифрактограммы СВС-продуктов :

1 – FeSi+3Ti+2C (FeSi(30%),Ar);

2-отжиг+5% TiSi2, синтезированного продукта с раствором полимера.

3 – отжиг.

Суспензию наносили на керамические подложки с металлическими электродами. Затем проводили ступенчатый обжиг образцов при выбранных температурах от комнатной и до 350 С. Время обжига при каждой температуре составляло 1 час. После каждого обжига образцы охлаждали до комнатной температуры и измеряли электрическое сопротивление с помощью омметра Ф-410.

Было изучено влияние температуры формирования покрытия на электрическое сопротивление образцов.

Из рис.3 видно, что электрическое сопротивление покрытий полученных из образцов 1,2,3 резко возрастает после 250С, в то время как сопротивления образцов 2, 3 (рис. 4), содержащих большее количество Ti3SiC практически не изменяются вплоть до 300 С. Таким образом, проведенные исследования показали возможность получения однофазного продукта. Уменьшение примеси карбида титана способствует улучшению температурной стабильности свойств электропроводящих полимерных компаундов.

По итогам работы можно сделать следующие выводы:

1. Для получения титанокремнистого карбида Ti3SiC2 СВС методом в качестве исходного кремнийсодержащего компонента может быть использован FeSi (80 мас. % Si).

РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» 2. Отжиг СВС продукта и добавка 5%TiSi2 к конечному продукту приводят к увеличению содержания Ti3SiC2.

3. Полученные материалы на основе карбосилицида титана обеспечивают электропроводимость композиционных покрытий при температурах выше 300С.

4. Синтезированные материалы на основе Ti3SiC2 могут использоваться в составе резистивных композиций для пленочных нагревательных элементов.

Рис.4.Зависимость электрического сопротивления Рис.3.Зависимость электрического сопротивления компаунда от температуры термообработки.

компаунда от температуры термообработки.

Наполнитель: 1 – FeSi+3Ti+2C (FeS(30%),Ar);

2 – отжиг Наполнитель 1 – FeSi+3Ti+2C(FeSi(20%),N2);

3 – отжиг+5% TiSi2,).

2 – FeSi+3Ti+2C(FeSi(30%),Ar);

3 – FeSi+3Ti+2C(FeSi(20%),Ar)) СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Barsoum M.W. The MN+1AXN phases: A new class of solids: Thermodynamically stable nanolaminates // Progress in Solid State Chemistry. – 2000. – №28. – C.201–281.

ДИНАМИКА ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО ИЗНОСА УСКОРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА КОАКСИАЛЬНОГО МАГНИТОПЛАЗМЕННОГО УСКОРИТЕЛЯ Д.Ю. Герасимов, А.А. Евдокимов Научный руководитель: с.н.с., д.т.н., Сивков А.А.

Томский политехнический университет, Россия, г. Томск, пр. Ленина, E-mail: gerasimov@tpu.ru DYNAMICS ELECTROEROSIVE WEAR ACCELERATION CHANNEL COAXIAL MAGNETOPLASMA ACCELERATOR D.Yu. Gerasimov, А.A. Evdokimov Scientific Supervisor: Dr., Prof. Sivkov A.A Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, E-mail: gerasimov@tpu.ru In this paper we consider the problem of improving the quality of the phase composition of titanium nitride, obtained using CMPA. It is shown that limit the production of coarse fraction can implement method of cutting off the tail of the current pulse.

РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» В работе [1] показана возможность динамического синтеза ультрадисперсного (УД) кристаллического сверхтвердого материала (СТМ) нитрида титана в гиперскоростной струе электроразрядной плазмы.

Плазменная струя генерируется коаксиальным магнитоплазменным ускорителем (КМПУ) эрозионного типа. Исходный материал нарабатывается электроэрозионным путем с поверхности ускорительного канала (УК) титанового ствола, который накапливается в плазменной струе ускоряемого сильноточного разряда типа Z-пинч и распыляется в камеру реактора, заполненной азотом [2].

Рис. 1. Осциллограммы U(t) и i(t) опытов с разными tЗАД.

Анализ полученного продукта показал, что в его составе в большом количестве присутствуют крупные частицы затвердевшего расплава материала с высоким содержанием TiN. Это снижает эффективность использования расходного материала в отношении получения УД TiN. Образование крупных частиц материала обусловлено, по-видимому, выбросом из УК расплава титана низкоскоростным течением на “хвостовой” части импульса тока. В связи с этим были проведены экспериментальные исследования с отсечкой “хвостовой” части импульса тока в различные моменты времени при прочих равных условиях.

Импульсное электропитание КМПУ осуществлялось от мощного емкостного накопителя энергии С = 24·10– Ф при зарядном напряжении Uзар = 3,5 кВ. Отсечка хвостовой” части импульса тока производилась тригатронным разрядником, подключенным параллельно КМПУ.

Рис. 2. Эпюры удельного электроэрозионного износа Рис. 3. Динамика удельного электроэрозионного поверхности УК по длине УК титанового ствола. износа поверхности УК титанового ствола.

На рис. 1 приведены осциллограммы напряжения U(t) на электродах и рабочего тока i(t) КМПУ трех опытов с разными tзад. Подведенная к ускорителю энергия W определялась интегрированием кривой мощности. Эродированная масса m определялась взвешиванием ствола до и после выстрела. Кроме того, методом описанным в [3] строились эпюры удельного электроэрозионного износа поверхности УК m() [г/мм2] по длине УК (рис. 2). Их сравнение показывает увеличение эрозии с увеличением tЗАД и, соответственно, W. По полученным данным путем определения разницы m в последовательных (по величине tЗАД) опытах, построена зависимость удельной эродированной массы от времени m/мм2(t), показанная на рис. РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» Приведенная на рис. 3 зависимость в некотором приближении показывает динамику процесса электроэрозионного износа поверхности УК и наработки материала для динамического синтеза TiN. На рис. представлены зависимости масс УД фракции продукта синтеза mУД и крупной фракции mКР от времени tЗАД. Видно что mУД постоянно увеличивается, при этом минимальное количество mКР достигается при tЗАД = 200250 мкс. Присутствие этой фракции при меньших временах Рис. 4. Зависимости mУД (1) и задержки обусловлено, по-видимому, тем, что прерывание тока в КМПУ mКР (2) продукта TiN от tЗАД.

происходит не мгновенно. После момента срабатывания шунтирующего разрядника в УК протекает быстро снижающийся ток и выделяется энергия. На этом этапе возможен выброс из УК небольшого количества расплава. При дальнейшем увеличении tЗАД происходит увеличение mКР вплоть до достижения максимального значения в эксперименте с полным электрическим импульсом.

Экспериментальные исследования подтвердили предположение о том, что выброс нераспыленного расплава из УК происходит на «хвостовой» части импульса тока, отсечка которой позволяет уменьшить mКР.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Евдокимов А.А., Пак А.Я., Герасимов Д.Ю. Получение порошкообразного нитрида титана в гиперскоростной плазменной струе // Новые материалы. Создание, структура, свойства – 2009. Труды Всеросс. конф. для молодежи. – Томск: Изд-во ТПУ. 8-11 сентября 2009. – с. 272 – 275.

2. Сивков А.А., Найден Е.П., Герасимов Д.Ю. Прямой динамический синтез нанодисперсного нитрида титана в высокоскоростной импульсной струе электроразрядной плазмы // Сверхтвердые материалы. – 2008. – №5. – С. 33 – 39.

3. Сивков А.А., Герасимов Д.Ю., Цыбина А.С. Электроэрозионная наработка материала в коаксиальном магнитоплазменном ускорителе для нанесения покрытий // Электротехника. – 2005. – №6. – С. 25 – 33.

ВЫРАВНИВАНИЕ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО ИЗНОСА УСКОРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА КОАКСИАЛЬНОГО МАГНИТОПЛАЗМЕННОГО УСКОРИТЕЛЯ ЗА СЧЕТ ЕГО ЭКРАНИРОВАНИЯ Д.Ю. Герасимов, А.А. Евдокимов Научный руководитель: Сивков А.А., д.т.н., с.н.с.

Томский политехнический университет, Россия, г. Томск, пр. Ленина, E-mail: gerasimov@tpu.ru ALIGNMENT ELECTROEROSIVE WEAR ACCELERATION CHANNEL COAXIAL MAGNETOPLASMA ACCELERATOR DUE TO ITS SHIELDING D.Yu. Gerasimov, А.A. Evdokimov Scientific Supervisor: Dr., Prof. Sivkov A.A Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, E-mail: gerasimov@tpu.ru The paper shows how to align electroerosive wear surface of the acceleration channel of the titanium stem CMPA by screening the initial portion of the ferromagnetic shield with a conical outer surface, thereby greatly increasing the effectiveness of the titanium stem, as expendable material.

РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» Одним из недостатков наработки рабочего материала с поверхности ускорительного канала (УК) ствола коаксиального магнитоплазменного ускорителя (КМПУ) для динамического синтеза наноструктурированных сверхтвердых материалов на основе титана и нанесения композиционных покрытий, является значительная неравномерность электроэрозионного износа по его длине [1].

При многократной частотной работе укорителя происходит перегорание стенки ствола в месте максимума эрозии [2]. Это снижает эффективность использования ствола как расходного материала. В частности на титановых стволах (ВТ1-0), используемых для получения (TiC, TiN, C0,3N0,7Ti, TiO2) максимальный пик эрозии, значительно превышающий ее среднее значение имеет место на начальном участке ствола длиной 40 – 50 мм.

В работе [1] показано, что наиболее значимым фактором в коаксиальной системе ускорения с сильноточным разрядом типа Z-пинч является величина подведенной к ускорителю энергии W. Эпюры дифференциального износа поверхности УК m титанового ствола по его длине представ лены на рис. 1.

Из анализа эпюр видно, что на начальном участке УК наблюдается сильная эрозия. Это является негативным фактором, так как при многократном использовании приводит к прогоранию ствола и, следовательно, малоэффективному использованию основного расходного материала.

В работе показано, что одним из факторов, [1] ограничивающих эрозию в рассматриваемой системе, является экранирование УК сплошной стенкой ствола. Уменьшение степени проникания магнитного поля соленоида снижает Рис. 1. Типичные эпюры дифференциального электроэрозионного интенсивность вращения плазменной структуры в УК и захвата износа по длине УК титанового ствола эродированной массы.

С целью выравнивания электроэрозионного износа и исключения пика эрозии на начальном участке предложено усилить экранирование начального участка ствола длиной ~ 4050 мм, подверженного наиболее сильному износу. Установка цилиндрического дополнительного экрана 7 (рис. 2) из стали Ст. не отразилась на энергетических характеристиках работы КМПУ, как это видно из сравнения осциллограмм опытов с одинаковыми энергетическими параметрами с дополнительным экраном и без него.

Из сравнения эпюр дифференциального износа m(ук) по длине УК (рис. 3) видно, что основная задача - исключение узкого пика эрозии на начальном участке Рис. 2. Конструкция КМПУ: 1 – центральный ствола была достигнута. Однако в целом эта мера не дала электрод;

2 – электрод-ствол;

3 – изолятор ожидаемого результата. Общий уровень эрозии на центрального электрода;

4 – электро взрывающиеся проводники;

5 – соленоид;

6 – экранированном участке повысился и стал относительно заглушка;

7 – дополнительный цилиндрический экран;

8 – дополнительный постоянным. Но на большей длине произошло резкое конусный экран.

снижение m до уровня, более низкого, чем в сравниваемом эксперименте без дополнительного экрана. Это можно объяснить резким усилением радиальной составляющей магнитного поля в УК в плоскости I-I (рис.2) за счет ступенчатого РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» уменьшения толщины стенки экрана, т.е. возникновением так называемой “магнитной пробки” на пути прохождения токоведущей плазменной структуры [3]. В результате повышения плотности энергии в этом объеме, увеличилась и эрозия стенки УК.

Устранить этот эффект оказалось возможным при выполнении дополнительного экрана с конической внешней поверхностью 8 (рис. 2). Была проведена серия экспериментов на титановых стволах при следующих условиях: емкость конденсаторной батареи С = 42·10-3 Ф;

зарядное напряжение Uзар = 3.2 кВ;

длина и диаметр УК соответственно = 275 мм и dук = 21 мм, без экрана и с использованием дополнительного Рис. 3. Эпюры дифференциального экрана из Ст.3 с диаметром основания конуса dк = 40 мм и электроэрозионного износа поверхности длиной к.= 50 мм. Результаты испытаний представлены в виде УК по его длине: 1) при экранировании начального участка УК, эпюр m() (рис. 4).

2) без экранирования.

Видно, что при использовании дополнительного конусного экрана исключается пик эрозии на начальном участке ствола, кривая 1, что обеспечивает выравнивание электроэрозионного износа по длине ускорительного канала и максимальное использование титанового ствола в технологическом процессе.

Экранирование начального участка УК дополнительным ферромагнитным экраном с конусообразной внешней поверхностью позволяет выровнить эрозию по длине УК и Рис. 4. Эпюры дифференциального значительно увеличить эффективность использования титанового электроэрозионного износа поверхности УК по его длине: 1) при экранировании ствола, как расходного материла, в технологическом процессе. На начального участка УК с конусообразным экраном, данное техническое решение получен патент РФ [4].

2) без экранирования.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект 09-08-01110.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Герасимов Д.Ю., Сайгаш А.С., Сивков А.А. Электроэрозионный износ канала коаксиального магнитоплазменного ускорителя/ Том. политехн. ун-т.- Томск, 2007.-104с.: ил.- Библиогр:75 назв. Рус. – Деп. в ВИНИТИ 29.01.07, №79-В2007.

2. Герасимов Д.Ю., Сайгаш А.С., Калдашев Б.К. Исследование электроэрозионного износа поверхности ускорительного канала титанового ствола при его многократном использовании и частотной работе КМПУ // Современные техника и технологии. XIV Межд. научно-практическая конф. молодых ученых / Сборник трудов в 3-х томах. Том 1. – Томск: Изд-во ТПУ. 24-28 марта 2008. – с.26 – 28.

3. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. – М.: «Мир»// 1972. – 391 с.

4. Патент на полезную модель № 61856 РФ. 7F41В 6/00. Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель / Герасимов Д.Ю., Сайгаш А.С.;

Сивков А.А. Приор. 12.05.2006. Опубликовано.10.03.2007.

РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» МЕТОД ИМПЕДАНСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЁРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Ефимова К.Б., Шипилова А.В.

Научный руководитель: к.ф.-м. н. Сочугов Н.С.

Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, E-mail: ksunchik001@mail.ru METHOD OF IMPEDANCE SPECTROSCOPY FOR RESEARCING CHARACTERISTICS OF SOLID OXIDE FUEL CELLS К. B. Efimova, A. V. Shipilova Scientific Supervisor: Ph. D. N. S. Sochugov Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, E-mail: ksunchik001@mail.ru The influence of the pulsed electron-beam treatment of the thin film electrolyte on characteristics of fuel cells is researched using the method of impedance spectroscope. The method of measurement, scheme of experimental facility and resulting dependences are given.

В настоящее время топливные элементы рассматриваются в качестве одного из основных технологических направлений энергетики будущего. Исследования и разработки в этом направлении поддерживаются крупными компаниями, инвесторами, государствами и межгосударственными объединениями. Перспективы применения топливных элементов в качестве источников питания нового поколения обусловлены, главным образом, их высокой эффективностью. Наиболее перспективными являются твёрдооксидные топливные элементы (ТОТЭ).

Целью работы явилось исследование и сравнение характеристик двух топливных ячеек ТОТЭ с тонкоплёночным электролитом, 2 полученным магнетронным распылением [1].

Исследования проводились методом 4 импедансной спектроскопии.

Данный метод основан на измерении и анализе частотной зависимости H 7 электросопротивления изучаемого объекта.

А O Объект представляется эквивалентной схемой, 6 V в которой каждый элемент отвечает какому Рис. 1. Схема измерений импеданса топливной ячейки: 1 – либо свойству, процессу, происходящему в платиновая сетка, 2 – катод, 3 – анод, 4 – рабочий объем печи, 5 – термопара, 6 – платиновые провода, электрохимической системе. Выходными 7 – алюминиевые трубки для установки образца, 8 – анодное уплотнение, 9 – электролит. данными являются зависимости мнимой части импеданса от действительной при различных частотах подаваемого напряжения – спектры импеданса.

Экспериментальные топливные ячейки сформированы на анодной базе. В качестве подложек РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» использовались восстановленные пористые аноды ТОТЭ, полученные в результате высокотемпературного спекания (t = 1350 °C, 2 часа изотермической выдержки) сырой полимерной ленты, произведенной методом шликерного литья (производство фирмы ESL ElectroScience).

Восстановление анодов осуществлялось в атмосфере увлажненного водорода при 800 °C с двухчасовой изотермической выдержкой [2]. В табл. 1 приведено описание топливных ячеек. При изготовлении топливной ячейки 2 предварительно осуществлялась импульсная электронно-пучковая обработка (ЭПО) системы «пористый анод – подслой электролита». Обработка электронным пучком ZrO2:Y2O3 тонкого подслоя на первом этапе формирования пленки электролита приводит к переплавлению системы «пористый анод – подслой электролита», в результате чего на поверхности анодной подложки образуется плотный слой сплава Ni с ZrO2:Y2O3, имеющий гладкую поверхность, и подавляется столбчатый рост плёнки электролита. Как показано в [2], применение ЭПО позволяет уменьшить газопроницаемость и улучшить электрические характеристики топливных ячеек.

Таблица Описание топливных ячеек Топливная ячейка 1 Топливная ячейка Анод Ni- ZrO2:Y2O3 Ni- ZrO2:Y2O ZrO2:Y2O3 0,35 мкм + ЭПО Электролит ZrO2:Y2O3 5,1 мкм (0,8 Дж/см, 2 импульса с нагревом до 700 С) + ZrO2:Y2O3 2, мкм Катод La0,7Sr0,3MnO3 La0,7Sr0,3MnO На рис. 1 приведена схема измерений импеданса топливной ячейки. На рис. 2 приведены спектры измерений импеданса топливных ячеек 1 и 2 при различных температурах.

а б 0,5 0 -0,5 0 0,5 1 1,5 -2 0 2 4 600 C 450 C 650 C 8 500 C 700 C 750 C 550 C Im Z, Ом Im Z, Ом 800 C 600 C 650 C 0 20 40 60 - -2 0 5 10 15 20 25 30 Re Z, Ом Re Z, Ом Т, С Т, С 450 500 550 600 600 650 700 750 ВЧ отсечка,Ом ВЧ отсечка,Ом 2,4 1,5 1 0,7 0, 1,8 1,7 0,9 0,4 0, Рис.2. Спектры импеданса топливных ячеек:

а) топливная ячейка 1, диапазон температур 600 - 800;

б) топливная ячейка 2, диапазон температур 450 - (вставки – высокочастотные области в увеличенном масштабе).

Спектры импеданса для обеих топливных ячеек ТОТЭ представляют собой вытянутые полуокружности. Чем выше температура, тем меньше диаметр полуокружностей, характеризующий сопротивление переносу заряда. Следовательно, можно говорить об ускорении протекания РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» электрохимических реакций при увеличении температуры.

1, Высокочастотная отсечка характеризует 0, сопротивление электролита, которое -0,5 0 1 2 - уменьшается с увеличением температуры Т=600, ячейка Т=600, ячейка 10 Т=650, ячейка (рис. 2), так как материал электролита Т=650, ячейка Im Z, Ом имеет более высокую ZrO2:Y2O проводимость при более высокой температуре в диапазоне рабочих -2 0 5 10 15 20 25 30 35 Re Z, Ом температур.

ВЧ отсечка, Ом 600 С 650 С На рис. 3 приведено сравнение двух Топливная ячейка 1 1,8 1, Топливная ячейка 2 0,7 0, топливных ячеек при температуре и Рис.3. Спектры импеданса, измеренные для двух топливных 650 С. Из рисунка 3 видно, что диаметр ячеек при температуре 600 и 650 С (вставка – высокочастотная область в увеличенном масштабе). полуокружностей, построенных для топливной ячейки 1 больше диаметра полуокружностей, построенных для топливной ячейки 2 при одной и той же температуре. Это говорит о том, что сопротивление переносу заряда ячейки 1 больше сопротивления переносу заряда ячейки 2.

Также видно по высокочастотной отсечке, что сопротивление электролита ячейки 1 больше чем сопротивление электролита ячейки 2 при той же температуре (примерно в 3 раза), однако это частично может быть связано с тем, что толщина электролита ячейки 1 превышает толщину электролита ячейки 2 в 1,6 раза.

Проведённые исследования показали положительное влияние импульсной электронно-пучковой обработки на характеристики твёрдооксидного топливного элемента, однако необходимо более детальное исследование влияния параметров обработки на характеристики топливного элемента.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Ширинкина А. В., Работкин С. В., Соловьёв А. А. и др. Формирование бездефектной плёнки электролита твёрдооксидного топливного элемента методом реактивного магнетронного распыления ZrY мишени// Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ. – 2006. - № 9(41). – С. 46 – 53.

2. Соловьев А. А., Сочугов Н.С., Шипилова А.В. и др. Импульсная электронно-пучковая модификация поверхности пористых анодов твёрдооксидных топливных элементов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ. – 2009. – №9(77). – С. 27 – 32.

РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» THE INFLUENCE OF HIGH TEMPERATURE ANNEALINGS ON MECHANICAL PROPERTIES AND STRUCTURE OF Fe-Mn-V-Ti-0,1C LOW-CARBON STEEL PRODUCED BY SEVERE PLASTIC DEFORMATION G.G. Zakharova, M.S.Tukeeva Scientific Supervisor: PhD, assistant professor Е.G Astafurova Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, Russia, Tomsk, pr. Academichesky, 2/4, E-mail: galinazg@yandex.ru ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ОТЖИГОВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРУ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ Fe-Mn-V-Ti-0,1C, ПОЛУЧЕННОЙ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ Г.Г. Захарова, Е..Г. Астафурова, М.С.Тукеева Научный руководитель: доцент, к.ф.-м.н Е..Г. Астафурова Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Россия, Томск, пр. Академический,2/4, E-mail: galinazg@yandex.ru В работе исследованы механические свойства и структура низкоуглеродистой стали Fe-1,12Mn 0,08V-0,07Ti-0,1C (вес.%) после интенсивной пластической деформации (ИПД) равноканальным угловым прессованием (РКУП) и кручением под гидростатическим давлением (КГД) и последующих высокотемпературных отжигов. Сталь в исходном феррито-перлитном состоянии подвергалась РКУП при T=200°C и КГД при комнатной температуре. Термостабильность сформированной структуры при ИПД исследовали при 400-700°C, 1ч. Обнаружено, что ИПД приводит к формированию структуры со средним размером зеренно-субзеренных элементов 260 nm после РКУП и 90 nm после КГД. Полученные структуры обладают термостабильностью до 500°C после РКУП и до 400°C после КГД.

The commercial low-carbon steel Fe-1,12Mn-0,08V-0,07Ti-0,1C (wt.%) in ferritic-pearlitic state (normalization at 950 °С for 30 min.) was subjected to equal channel angular pressing (ECAP), high pressure torsion (HPT) and following annealing at T=400-700оС for 1 hour. The ECAP procedure was performed at 200С using two channels intersecting at 120°, the samples were processed for four passes by route Bc. HPT was realized at room temperature for 5 revolutions at P=6GPa. The investigation of steel structure and properties was carried out using transmission electron microscope Philips CM30, scanning electron microscope Quanta 200 3D, microhardness-testing machine Duramin 5 with 200g load.

Fig. 1, a shows structure of ferritic-pearlitic steel Fe-1,12 Mn-0,08V-0,07Ti-0,1C (wt.%) in initial state. ECAP provides a formation of UFG structure with an average size of (sub-) grain of 260±90nm (Fig.1b). The structure of steel after HPT has an average (sub-) grain size of 90±50 nm (Fig.1c). The selected area electron diffraction (SAED) pattern shows diffraction spots arranged in quasirings with typical azimuth spreading indicating the presence of boundaries with both high and low angles of misorientation (diffraction was done from the area of 1,4 m2) after ECAP and HPT (Figs. 1b, c).

A variety of small carbides as V8C7, V2C, Fe3C, M23C6, M6C were observed in steel structure after HPT and V8C7, V2C, Fe3C after ECAP. Fragmentation of carbides after ECAP and HPT was observed.

Annealing up to 500°C has not appreciable effect of phase composition and (sub-) grain size of steel after ECAP (tab.1). Up to the temperature of 500°C grain size is relatively stable and grain growth took place slowly with increasing of annealing temperature. Annealing at 500°C leads to appearance of extra small carbides like РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» V8C7, M23C6 and dissolution of VC particles.

Fig. 1. TEM micrographs of ferritic-pearlitic steel: a – bright field image of initial ferritic-pearlitic structure;

b, c – bright field images of ferrite after ECAP and HPT, respectively.

Table The influence of SPD and annealings on mechanical properties and grain sizes of steel investigated annealing temperature no annealing 400 °С 500 °С 600 °С 700 °С Hµ [GPa] ( Hµ=0.02 [GPa]) Initial state 1,6 1,6 1,6 1,6 1, ECAP 2,9 – 2,8 1,8 1, HPT 6,4 6,6 4,5 2,9 – Grain size [nm] Initial state 4200± ECAP 260±90 – 410±270 2200±1900 2900± HPT 90±50 90±40 490±70 630±300 – These fine carbides are located inside grains and have a size of 5 nm as it was measured using TEM dark field images. Investigation of steel structure at annealing temperatures higher than 600 °C shows that a recrystallization process works actively, and rapid growth of grain sizes is revealed (Fig.2a, Tab.1). According to the TEM researches, grain growth occurs and grain boundaries become clearer but extinction contours present, which indicate the high internal stresses.

A carbide system consists of small spherical carbides Fe3C, M23C6, M6C with the average size less then 20 nm inside grains, thin layer of Fe3C and carbides such as M23C6, Fe3C и TiC with average size of 100 – 450 nm on boundaries.

Annealing at 700 °C leads to disappearance of carbides based on V, and Fe3C, M23C6, M6C precipitates increase in size, and grains become stable. The microstructure gets more homogeneous and coarser.

The investigations of structure after HPT and annealing at 400°C show that grain size Fig. 2. Electron back scattered diffraction and TEM micrographs of is saved as small as after HPT (Table 1). The ferritic-pearlitic steel after SPD and subsequent annealings: a – EBSD patterns after ECAP and annealing at 600°C;

b, c – bright and dark field character of SAED pattern does not change TEM images of ferrite after HPT and annealing at 400°C;

. d –EBSD after annealing at 400°C, patterns are still pattern after HPT and annealing at 600°C.

arranged in circle. Grain boundaries become РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г. ФИЗИКА VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» clearer (Figs. 2 b, c) as compared to state after HPT. This fact indicates a partial stress-relief tempering. An additional diffuse ring on diffraction patterns appears after HPT and annealing 400°C (Fig. 2b). This ring corresponds to ultrafine Fe3C precipitates in structure of steel.

The increasing of annealing temperature HPTed steel results in growth of grain size and carbides. After annealing at 500-600°C grains start to grow because of this high temperature provokes a recrystallization process and diffusion (Table 1, Fig.2d). The thermal stability of steel after ECAP and HPT was also studied by the determination of microhardness after annealing in the temperature range of 400-700оС. Both investigated SPD methods lead to growth in strength properties of steel (Table1). The results indicate that the microhardness of steel changes slowly up to the annealing temperatures of 500 оС after ECAP and of 400 оС after HPT, which is in good agreement with results of TEM and EBSD analysis.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 34 |
 



 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.