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 || 3 | 4 |   ...   | 21 |

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

-- [ Страница 2 ] --

II область - на глубине от 200 до 500 нм от облученной поверхности. В процессе работы для каждой области исследования был установлен фазовый состав, определены места локализации фаз и их форма, измерен размер каждой из присутствующих фаз. Размеры элементов структуры (зерно, частица) измерялся методом секущей.

Согласно данным ОЖЭ- спектроскопии в имплантированном слое титана максимальная концентрация внедренной примеси алюминия составляет не более 30 ат %, при этом толщина всего имплантированного слоя не превышает ~600 ± 50 нм. Установлено, что наряду с алюминием в поверхностном слое титановой мишени присутствует кислород внедренный из остаточной атмосферы вакуумной системы.

Концентрация кислорода наблюдаемая в титановом образце вследствие облегченной диффузии около ат%. Высокая концентрация легирующих элементов в поверхностных модифицированных слоях достаточны для формирования вторичных фаз в ионно-легированных слоях.

Таблица.

Основные характеристики поверхностного слоя титана, имплантированного Al Места локализации наблюдаемых фаз относительно зерен -Ti, их средние размеры и форма Область -Ti TiO2 Ti3Al Al3Ti TiC Нанозерна Частицы Нанозерна округлой Нанозерна округлой формы округлой формы формы по неправильной формы на дислокациях Нет внутри зерен I границам внутри зерен -Ti, внутри зерен - Ti, зерен -Ti, 40 нм Ti,10 нм 60 нм 100 нм Нанозерна Пластинчатые Частицы Нанозерна округлой Частицы округлой выделения по округлой формы округлой формы формы по формы на дислокациях границам зерен на дислокациях по границам II границам внутри зерен -Ti, -Ti, внутри зерен - зерен -Ti, зерен - нм Ti,10 нм нм 2570 нм Ti,100 нм Результаты исследования микроструктуры и фазового состава имплантированных слоев титана приведены в таблице. Установлено, что имплантация алюминия в титан приводит к формированию поверхностного слоя с различным фазовым составом по глубине. На расстоянии 0-200 нм от облученной поверхности имплантированный слой состоит из зерен -Ti с включениями карбида TiC (средний размер 40 нм) и оксида титана TiO2 (брукит). В центральной части имплантированного слоя (200-500 нм от облученной поверхности) присутствуют зерна -Ti, по границам которых находятся пластинчатые выделения Ti3Al (средний размер 25х70 нм) и Al3Ti (средний размер 100 нм). Внутри зерен титана на дислокациях наблюдаются наноразмерные выделения оксида TiO2 и карбида титана TiC с размером до нм. Формирование отдельных нанозерен -титана по границам матричных зерен -Ti наблюдается как в приповерхностной, так и в центральной области имплантированного слоя.





Таким образом, исследован фазовый состав имплантированных слоев титановых образцов с зерна 0, мкм. Установлено, что основой модифицированных слоев являются зерна -титана. Основой вторичных фаз являются окислы и алюминиды титана. Как правило, частицы вторичных фаз формируются на РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

дислокациях или на границах зерен. Когда новую фазу образует элемент замещения – алюминий, то частицы преимущественно формируются по границам зерен. Когда элемент внедрения – кислорода, углерод, то частицы формируются на дислокациях. Это связано с тем, что элемент замещения перемещается при ионной имплантации по границам зерен или по твердому раствору, в то время как элемент внедрения по дислокациям.

в а б Al3T i TiC - Ti 0,2 мкм TiO 0,2 мкм 0,2 мкм д г Al3Ti TiO 0,5 мкм 0,2 мкм Рис.1. Изображения, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии модифицированной поверхности титана: дислокационная структура -Ti. На дислокациях присутствуют частицы TiO2 (а);

изображение зерен -Ti (б);

на светлопольном изображении поверхности: белая стрелка - зерна Al3Ti, черные - частицы TiC (в), пластинчатые выделения фазы AlTi3, расположенные по границам зерен -Ti (отмечены черными стрелками на светлопольном изображении) (г);

выделения фазы Ti3Al внутри зерна -Ti отмечены стрелками, частицы TiO2, расположенные на границах зерен -Ti (д).

Кислород в отличие от алюминия формирует мощную дефектную структуру в титановой матрице.

Поэтому оксидные наночастицы формируются в зернах при больших напряжениях. Самые мелкие зерна оксидных фаз (до 20 нм) локализуются на дислокация в объеме зерен титановых мишеней. Введение алюминия приводит к стабилизации титановой матрицы и способствует формированию сверхструктуры Ti3Al на границах зерен титана. В поверхностных слоях концентрация алюминия во много раз превышает концентрацию кислорода, в связи с этим зерна алюминидных фаз значительно крупнее чем оксидных.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ 10-02-01012_а РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

THE DEVELOPMENT OF THE AUTOMATED COMPLEX FOR THE ELECTRICAL RESISTANCE MEASUREMENTS IN METALLS Yu.S. Borduliov Scientific Supervisor: Ph.D. Physics, associate professor. A.M. Lider Language Advisor: Ph.D. Education, associate professor. A.S. Parnyugin Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, E-mail: bordulev@mail.ru РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СТЕНДА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В МЕТАЛЛАХ Ю.С. Бордулв Научный руководитель: К.ф-м.н., доцент кафедры ОФ А.М. Лидер Консультант по переводу: К.п.н., доцент А.С. Парнюгин Томский политехнический университет, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 30, E-mail: bordulev@mail.ru Описываемая в данной работе установка относится к классу информационно-имерительных автоматизированных систем. Данная установка предназначена для измерения электрического сопротивления металлов и сплавов. В качестве метода измерения используется метод четырехпроводного подключения. Описываемая установка является полностью автоматизированной и способна проводить серию измерений за один цикл. По сравнению с ранее созданными установками, эта установка обладает более высокой точностью за счет наличия фактора автоматизации.





Данная установка способна лечь в основу простого и удобного метода контроля содержания водорода и других примесей в металлах.

The development of measuring techniques and advances in information technology can significantly expand the opportunities for experimental scientific researches. Currently, virtually any experimental problem is solved with the use of computer automation. Such factors as the complexity of measuring operations, big computational cost, fast, or, conversely, very slow processes, the need for parallel measurements, biological, chemical or other hazards associated with conducting experiments - justify the relevance of the automation of the research activities [1].

The main aim of this research is to develop an automated information-measuring system for physical researches. The main purpose of this system is the measurement of electrical resistance of metals and alloys.

This research work has a high practical value for studying the properties of materials, in particular, study the impact of hydrogen in the metal on the electrical resistance of the metal.

In carrying out this work the methods of automation of physical experiments were used. As a programming language the graphical programming language LabVIEW was chosen. LabVIEW is a programming environment with the help of which the programmer can build applications, using a graphical representation of all elements of the algorithm. This property makes this programming language different from usual programming text languages РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

such as C, C + + or Java [2].

The program which is done with the help of LabVIEW is called a Virtual Instrument or VI, because its appearance and functionality reproduce the traditional physical device. VI is convenient because it does not require any knowledge in the field of automation or programming from the researcher.

The creation of this programmable complex is divided into three parts:

1. Creating a system that can provide the measurement of electrical resistance from several samples, by the linear movement of the samples under the measuring head from one point to another by a distance defined by the researcher. At this stage, the object of automation is the positioner.

2. Creating a system that can maintain the constant temperature of the sample defined by the user. The object of automation is a voltmeter and the voltmeter power supply.

3. Creating a system that is able to take the measurements from a given sample at a given point, process them and save in a computer database. The object of automation is the voltmeter and the voltmeter power supply.

The linear positioner is a device which can move the sample from one point to another by means of a stepper motor located at the end of the device, which provides the movement of the upper part of the device (where the sample is located) relative to the bottom. Communication between the computer and the positioner is carried out by the Figure 1. An external view of the front panel for the positioner controlling positioner control unit. The control unit is connected to the computer via the serial port RS-232.

Programming begins with a front panel, through which the researcher sends signals to the positioned control unit. An external view of the front panel for the positioner controlling is shown in Figure 1.

Using the control buttons, controllers, and indicators of motion, the researcher defines a point where it is necessary to make measurement.

The basis of the measurement system intended to establish and control the temperature of the sample consists of the Peltier element, programmable Figure 2. An external view of the temperature-controlling voltmeter, voltmeter power supply, thermocouple and system. 1 – Peltier element, 2 – the radiator, 3 - the voltmeter radiator. An external view of this system is shown in power supply, 4 - the thermocouple, 5 – the voltmeter.

Figure 2.

The heating of the sample is carried out by a Peltier element. The principle of operation of this element is based on the thermoelectric Peltier effect, accompanied by the extraction or absorption of heat.

On the bottom of the Peltier element a radiator is attached, scattering the low temperature from the bottom of the element, increasing the temperature at the top of the element.

The voltage on the Peltier element is fed from the voltmeter powedr supply and adjusted automatically.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

Measuring the temperature of the heated sample is carried out with the help of the thermocouple and displayed on the voltmeter.

As the computer-aided control facility in this case the PI (Proportional-Integral) regulator was chosen.

Thanks to the integrating link in the PI regulator the adjustable parameter becomes equal to the value exposed on a setting device, and the slightest deviation of this parameter upwards or downwards, being accumulated in the integrating link, returns it to the value defined by the researcher. As a result, the accuracy of maintaining the controlled variable at a given level in the tuned PI regulator is at least an order of magnitude better than the conventional proportional regulator. The disadvantage of the PI regulator is the need to adjust not one but two options -integration time constant and the coefficient of the proportional term [4].

The programmable voltmeter and the voltmeter power supply are the basis of the system intended for electrical resistance measurements. The system operates in two modes: an ordinary ohmmeter mode, and in the mode for measuring low resistance by the four-wire connection method. Communication between voltmeter – computer and PSU- computer communication are implemented using the GPIB standard.

It contains information about electrical, mechanical, and functional parameters of connecting equipment.

The aim of automating the voltmeter power supply is the creation of the VI, with the help of which the user sends signals to the power supply to set the defined value of the amperage. The aim of automating the voltmeter is the creation of the VI, which is at the user's command make measurements of the current voltage, process them and save at a computer database. Then, using the Ohm's law, the value of the electrical resistance is calculated.

Conclusions. The result of this work is the creation of the automated research stand designed for measuring and recording the electrical resistance of metals. The basis of this programming complex is a Virtual Instrument engineered with the LabVIEW software package. This programmable complex can become a basis for a simple and convenient method of controlling the content of hydrogen and other impurities in metals.

BIBLIOGRAPHY 1. Баханцов А. В. Информационно-измерительный комплекс для исследования реологических, акустических и электрических свойств полимеризующихся кристаллов: Дис.... канд. тех. наук / Тихоокеанский государственный университет. - Хабаровск., 2009. - 22 с.

2. LabView for everyone/Jeffrey D. Travis – 2nd ed.- 571 с.

3. Склярова Е.А., Малютин В.М. Компьютерное моделирование физических процессов.- изд. ТПУ. Томск 2005. – 332 с.

4. У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М., МИР, 5. Бутырин П.А., Васьковская Т.А., Каратаева В.В., Материкин С.В. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW 7. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 264 с.

6. Н.А. Виноградова, Я.И. Листратов, Е.В. Свиридов. Разработка прикладного программного обеспечения в среде LabVIEW. Учебное пособие – М.: Издательство МЭИ, 2005.

7. Шински Ф.Г. Системы автоматического регулирования химико-технологических процессов. – М.:

Химия, 1974.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

ОСАЖДЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ AL2O3 С ПОМОЩЬЮ ДУАЛЬНОЙ МРС Я.А. Бутько, М.А. Азина Научный руководитель: зав. лаб., Ю.Н. Юрьев Томский политехнический университет, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 30, E-mail: yuragoal@ngs.ru DEPOSITION OF OPTICAL COATINGS Al2O3 USING A DUAL MAGNETRON SYSTEMS Y.A. Butko, M.A. Azina Scientific Supervisor: head of lab., Yu.N. Yurjev Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, E-mail: yuragoal@ngs.ru In this work the process of reactive deposition of Al 2O3 is considered. Also, the velocity of deposition of Al2O3 and transmittance in the visible range are shown.

Введение Осаждение тонких пленок в среде реактивных газов представляет собой сложный процесс, сопровождающийся проблемами, влияющими как на технологический процесс, так и на качество пленок [1].

Поэтому изучение процесса реактивного осаждения представляет собой неотъемлемую часть отработки технологического процесса. В данной статье рассмотрены основные параметры реактивного осаждения Al2O3 с помощью дуальной МРС.

Измерение ВАХ магнетрона В Рис. 1. ВАХ в среде кислорода (а), смеси газов (б) и аргона (в).1 – -область больших напряжений, 2 – область малых ходе выполнения работы были напряжений, 3 – промежуточная область измерены вольтамперные характеристики при распылении алюминия в среде чистого аргона, чистого кислорода и смеси газов в соотношении 1/5 (20% содержания кислорода в общем неизменном потоке газа 40 см 3/мин).

Максимальная мощность разряда была ограничена на уровне 5 кВт. На рисунке 1 представлены вольтамперные характеристики разряда.

Как видно из рис. 1 ВАХ в случае распыления на чистом аргоне (в) и чистом кислороде (а) зависимости имеют классический вид. Для смеси газов ВАХ имеет N-образную форму. На этой кривой (б) можно выделить три области режимов реактивного магнетронного разряда: область больших РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

напряжений, где ВАХ разряда приближается к ВАХ разряда в аргоне;

область малых напряжений, где ВАХ разряда приближается к ВАХ в среде чистого кислорода и область промежуточных режимов, в которой мишень частично покрыта слоем химического соединения.

Изменение вида ВАХ при увеличении количества кислорода в смеси показано на рисунке 2. Общий поток газа в рабочую камеру поддерживался постоянным: 40 см 3/мин. Мощность разряда была постоянной и составляла 3 и 5 кВт.

а) б) Рис. 2. ВАХ при мощности 3кВт (а) и 6.5 кВт (б).

1- n(O2)=10%, 2- n(O2)=20%, 3- n(O2)=30%, 4- n(O2)=40% Из рисунка 2 видно, что увеличение процентного содержания кислорода в смеси приводит к увеличению ширины промежуточной области (например, она составляет 300В при 10% кислорода и 600В при 20% кислорода). Ширина области промежуточных режимов определяется энтальпией образования химического соединения. С ростом доли кислорода в смеси, энтальпия образования оксида алюминия увеличивается т.к. большее количество атомов алюминия на мишени подвергаются окислению.

Кроме того, увеличение доли кислорода в смеси приводит к сдвигу максимума переходной области в сторону больших токов. Это связано со степенью окисления мишени и, как следствие, увеличением коэффициента эмиссии электронов. При мощности источника питания 3 кВт увеличение доли кислорода более 30% уже не вносит никакого влияния на ход ВАХ. Так как в этом случае мишень не успевает очищаться от окисла и кривая соответствует распылению в среде чистого кислорода (рис. 2а-4). При мощности 5 кВт мишени магнетрона успевают очищаться даже при 40% кислорода в смеси. Это происходит при повышении напряжения источника питания до 1000В и выше.

Увеличение мощности разряда приводит к увеличению скорости распыления и как следствие более быстрому очищению мишени от окисла, это уменьшает коэффициент эмиссии электронов что приводит к тому, что ВАХ сдвигается в сторону меньших токов.

Измерение скорости осаждения Al2O3 Количество реактивного газа оказывает значительное влияние на скорость осаждения оксида алюминия. Эта зависимость показана на рисунке 3. Из графика видно, что зависимость скорости осаждения оксида алюминия от количества кислорода в смеси нелинейная. При доле кислорода в смеси 20% наблюдается максимальная скорость осаждения для данных условий (11, РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

нм/мин). Связано это с тем, что в этом случае достигается максимально возможная мощность разряда дуальной МРС (6,5 кВт). При дальнейшем увеличении количества кислорода происходит сначала падение скорости, связанное с поглощением кислорода растущей пленкой и как следствие падением давления, а значит и тока разряда, а потом увеличение скорости осаждение до уровня практически не зависящего от дальнейшего увеличения доли кислорода в смеси газов. Это объясняется отсутствием у дуальной МРС гистерезиса в данном диапазоне Коэффициент пропускания Результаты измерений интегральных коэффициентов пропускания в зависимости от толщины пленки Al2O3 в видимом диапазоне (400нм – 780нм) представлены на рисунке 4. Измерения проводились с помощью спектрофотометра СФ 2000.

Из рисунка видно, что интегральный коэффициент пропускания для стекла составляет 90,87%. После осаждения покрытия коэффициент пропускания уменьшается на 2 процента при Рис. 3. Усредненная зависимость скорости толщине пленки 100 нм и в дальнейшем осаждения на пленки Al2O3 от количества O2.

практически не меняется. При толщине пленки 250 нм коэффициент пропускания вновь начинает возрастать, это связано, по-видимому, с наступлением первого интерференционного максимума. Также полученное покрытие обладает более высоким коэффициентом пропускания, по сравнению с монолитным лейкосапфиром, коэффициент пропускания которого составляет 82% [2].

Заключение Рис. 4. Интегральный коэффициент пропускания в видимом диапазоне для разных На основании проведенных исследований, толщин пленок Al2O3.

наиболее оптимальным режимом для данного экспериментального оборудования является режим при 20% содержании кислорода в смеси при максимальной мощности источника питания 6,5 кВт. Полученные при этом режиме покрытия обладают достаточно высоким коэффициентом пропускания света в видимом диапазоне – 88,25%.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Берлин Е.В., Сейдман Л.А. Ионно-плазменные процессы в тонкопленочной технологии. М:

Техносфера, 2010.

2. Tydexoptics [Электронный ресурс]. – режим доступа:

http://tydexoptics.com/ru/materials/for_transmission_optics/synthetic_sapphire . – 9.03.11.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

МИКРОТВЕРДОСТЬ И ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ БРОНЕКЕРАМИКИ В4С, ПОЛУЧЕННОЙ SPS СИНТЕЗОМ Я.В. Валова, Л.В. Саенко, А.О.Хасанов Научный руководитель :c. н.с, к. т. н В.В. Полисадова Томский политехнический университет, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30, E–mail: Valova@mail2000.ru MICROHARDNESS AND FRACTURE OF TOUGHNESS OF BRONEKERAMIKI B4C RECEIVED SPS SYNTHESIS Ja.V. Valova, L.V. Saenko, A.O. Khasanov supervisor: senior researcher, Ph.D. V.V. Polisadova Tomsk Polytechnical University, Lenina St., 30, Tomsk, 634050, Russia E-mail: valova@mail2000.ru Ceramics based on B4C is an indispensable material in nuclear power plants, as structural elements of the core, moderator and reflector of neutrons, the matrix elements for filling the dispersion of nuclear fuel.

Resistance to radiation exposure and protective properties of boron-containing compounds, as found, the higher the stronger the chemical bond between the boron atoms. Several studies have indicated that the creation of fine crystalline structure during the sintering of B4C ceramics increases its radiation resistance, whose value is greater than the isotropic, its macro-and microstructure. In practice this means that the resource service ceramic structures depends on the uniformity of density distribution.

В последние годы ведутся интенсивные работы по созданию бронезащиты на основе карбида бора.

Карбид бора сочетает высокую микротвердость (49 ГПа) и трещиностойкость с низким удельным весом (2,52 г/см3), обладает высокой температурой плавления, прочностью химических связей В настоящее время применяют две традиционные технологии изготовления изделий из карбида бора:

прессование порошка с последующим высокотемпературным спеканием в среде инертного газа (He или H2) и горячее прессование, при котором порошок помещается в графитовую пресс-форму, весь процесс должен происходить в вакуумированной среде;

Этот способ обладает существенными недостатками : большой трудомкостью, сложностью применяемого оборудования, быстрым износом его и др [1, 2].

С целью получения высокоплотных керамик В4С. обладающих наилучшим сочетанием механических характеристик,. в частности, соотношением «прочность Рис. 1 Принципиальная схема установки ИПС SPS- трещиностойкость», был использован малоизученный для спекания тугоплавких материалов SPS- метод. SPS- метод сочетает простоту прессования порошков в закрытых пресс формах с достоинствами метода горячего прессования.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

Установка SPS-515S (SPS Syntex, Токио, Япония) позволяет наблюдать процесс усадки при спекании.

Принцип действия установки представлен на рис. 1 Исходный для компактирования порошок помещается в графитовую пресс-форму, а затем помещается в вакуумную камеру. При одновременном воздействии усилия прессования, прикладываемого к прессующим штампам, и силы тока, проходящего по этим же штампам, происходит разогрев пресс-формы, уплотнение порошкового материала и создается разряд плазмы между частицами порошка.

Получение карбида бора методом SPS, измерение микротвердости и трещиностойкости. В работе представлены результаты исследования микротвердости и трещиностойкости в зависимости от технологических режимовSPS спекания (температуры спекания, времени выдержки при температуре спекания, давлении прессования) для определения оптимальных режимов мзготовления керамики В4С Скорость нагрева во всех сериях экспериментов оставалась неизменной, и составляла 100С/мин, время спекания – 10 минут.. После спекания и остывания пресс-формы до комнатной температуры производилось ее извлечение из камеры и проводились дальнейшие исследования: определялась микротвердость и трещиностойкость исследования. Образцы полученной керамики В4С для измерения микротвердости и трещиностойкости шлифовались и полировались.

Наиболее часто используемым, простым, быстрым и доступным способом тестирования является метод индентирования (метод определения микротвердости). Во многих случаях это практически единственно возможная характеристика оценки механических свойств материала Исследования микротвердости проводили на приборе ПМТ- 3М. Для расчта микротврдости по Виккерсу HV используется формула 1,854 P, Hv (1) d P-нагрузка на индентор, кГ, d-среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпечатка, мкм, 1,854- коэффициент для пирамиды Виккерса.

До начала измерений была снята нагрузочная кривая зависимости микротвердости от нагрузки. Для исследуемой керамики были определены нагрузки –300 г, при такой нагрузке диагональ отпечатка можно надежно измерить.

Одной из характеристик, определяющих трещиностойкость (вязкость разрушения) является критический коэффициент интенсивности напряжений K1c. Вязкость разрушения K1c определялась по линейным размерам радиальных трещин (с), возникающих вблизи места приложения нагрузки, и оценивалась по формуле (2), в которой учитываются упругие и прочностные характеристики исследуемого материала.

E P 3, (2) K1c 0, Hv C Е- модуль Юнга, Н-микротвердость, Р- нагрузка, С- длины трещин от угла отпечатка пирамиды Виккерса.

Измерение трещиностойкости проводили измерением диагонали длины радиальных трещин С целью исследования однородности трещиностойкости и микротвердости в исследуемых керамических образцах, были проведены измерения этих характеристик по диаметру образца. Для получения одного значения было сделано 5 отпечатков и по 10 измерений каждой диагонали (ГОСТ 9450 76). Было сделано 50 измерений по оси Х и 50 измерений по оси У.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

На основании полученных измерений построены графики, отражающие характер распределения значений микротвердости и трещиностойкости и служащий косвенной оценкой однородности прочностных свойств (трещиностойкости и микротвердости) при выбранных для исследования технологических режимах изготовления керамики В4С.

На рис. 2 – 3 приведены графики распределения однородности микротвердости в исследуемых образцах (голубым цветом показано распределение микротвердости вдоль ось Х, красным – вдоль Y) Рис. 2 Распределение однородности Рис. 3. Распределение однородности микротвердости образца при 1950С. микротвердости образца при 1900C.

Рис. 4 Разброс трещиностойкости В4С при Рис. 5 Разброс трещиностойкости В4С при температуре 1950С. температуре 1900С.

На рис. 4 и 5 представлены графики трещиностойкости образцов, спеченных при 1950С и 1900С (голубым цветом показано распределение микротвердости вдоль ось Х, красным – вдоль Y).

Выводы. Прочностные свойства керамики зависят от технологических режимов спекания. оптимальный режим спекания: Т= 1950 С, Р пресс = 90 МПа, оптимальная нагрузка: 300 гр. (2.94 Н), микротвердость образцов находится в пределах 33-40 ГПа, трещиностойкость составляет 7- 14 МПа*м1/2.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Блинков И. В.,Аникин В.Н. Использование нанопорошков карбида бора для 1.

изготовлениятвысокопрочной керамики. // Сборник тезисов докладов 2 международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий, 2009.

Кременчугский М.В., Савкин Г.Г., Малинов В.И. и др. Сверхлегкие керамические 2.

бронезащитные материалы, получаемые с применением наноструктурных механоактивированных порошков карбида бора // Российские нанотехнологии. Статьи. – 2008. – Т.3, №3-4. – С.141– РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ДУГОВОГО РАЗРЯДА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ Д.М.Верещагин., Д.Ю. Герасимов Научный руководитель: д.т.н., профессор А.А Сивков Томский политехнический университет, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 30, E-mail: vere@sibmail.com RESEARCH OF EFFECT SHORT-CIRCUIT CURRENT VALUE ON ELECTRICAL STRENGHT OF DIELECTRIC MATERIALS.

D.M.Vereshchagin, D.Yu. Gerasimov Scientific Supervisor: Prof., Dr. A.A. Sivkov Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, E-mail: vere@sibmail.com In this paper was presents research the influence of an electric arc off the short circuit current on the surface of a dielectric material in the arc chutes. It was also a comparison of weight loss during single and repeated exposure to an insulator.

При гашении электрической дуги и отключении тока короткого замыкания в выключателях низкого напряжения происходит взаимодействие плазмы дуги отключения и поверхностью диэлектрического материала в дугогасительной камере. Это приводит к частичной абляции материала поверхности диэлектрика, его термическому разложению, деструкции поверхности и ее загрязнению углеродными продуктами разложения и частицами металла, эродированного с поверхности контактных элементов выключателя. В результате происходит ухудшение диэлектрических свойств поверхности, снижению поверхностного электрического сопротивления и электрической прочности, что является причиной отказов выключателей низкого напряжения.

Таким образом, становится актуальным исследование влияния воздействия электрической дуги на диэлектрические характеристики поверхности диэлектрических материалов, используемых в конструкциях выключателей низкого напряжения.

Для данного эксперимента был выбран материал стеклотекстолит. Схема эксперимента приведена в работе [1]. В ходе эксперимента оставались постоянными: материал исследуемого диэлектрика стеклотекстолит, материал основных электродов CuW(75-25), геометрия макетного устройства, расстояние от конца основных электродов до поверхности образца e-s=10 мм.

На рис. 1a) приведены типичные кривые основных энергетических характеристик дугового разряда при U1=1.5 кВ, Wc=54 кДж, Wa=16-19 кДж.

На рис. 1б) приведена серия осциллограмм высоковольтного зондирующего импульса Ub(t) и тока isc(t) между зондирующими электродами при разных tp. На графиках указаны значения tp и Wa, величина пробивного напряжения Ub, и время от начала нарастания напряжения до момента пробоя tb.

На рис. 2 приведены аналогичные кривые для опытов с U1=0.5 кВ, Wc=6 кДж, Wa=2-3 кДж.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

Рис. 1. Типичные кривые основных энергетических характеристик дугового разряда при U1=1,5 кВ, Wс= 54 кДж, Wa= 16-19 кДж.

Рис. 2. Типичные кривые основных энергетических характеристик дугового разряда при U1=0,5 кВ, Wс= 6 кДж, Wа=2-3 кДж.

Из рис. 1 видно, что при параметрах дуги U1=1.5 кВ, Wa=16-19 кВ. Пробой промежутка происходит за фронтом на спадающей части импульса и tp8.5 мс. Величина пробивного напряжения Ub3,2 кВ.

Некоторое снижение уровня напряжения относительно 3,4 кВ обусловлено протеканием по зондируемой РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

поверхности предпробивного тока isc=10-20 А. Сравнимый уровень Ub3,2 кВ при tp=2,1 мс получен при U1=1,0 кВ и Wa=8-9 кДж (рис. 2) Уменьшение tp20 мс сопровождается существенным увеличением предпробивного тока, заваливанием фронта импульса и снижением пробивного напряжения. Характерной особенностью опытов при минимальной энергии дуги при U1=0.5 кВ, Wа=2-3 кДж является существенное снижение Ub при сопоставимых tp и пробивных токов ib.

В холодном состоянии при выдержке после воздействия tp в несколько минут, пробой не происходил ни при каких условиях. Снижение электрической прочности поверхности диэлектрика при уменьшении энергии воздействующего дугового разряда может быть объяснено эффектом самоочищения поверхности.

Более мощные плазменные потоки уносят с поверхности углеродные продукты размножения и частицы металла, эродированного с электродов. Это является также косвенным подтверждением того, что пробой промежутка происходит по поверхности диэлектрика, а не по газовой среде. Следует отметить, что при минимальном уровне энергии дуги Wa=2-3 кДж пробой всегда происходит на фронте импульса напряжения, а не на спадающей части как в случаях с относительно высокой энергией 8-16 кДж.

Кроме того, возможной причиной снижения пробивного напряжения при Wa=2-3 кДж и максимальном токе разряда ~3,0 кА является то, что плазменные потоки отклоняются на небольшой угол и зоны максимальной эрозии материала сближаются. Это приводит к относительно высокой выработке промежутка между зондирующими высоковольтными электродами и ухудшению диэлектрических свойств этого промежутка.

Таблица. 1 Таблица. 2.

Удельная эрозия m с поверхности Удельная эрозия m с поверхности диэлектрика после первого воздействия диэлектрика после нескольких (N) воздействий U1, кВ Wa, кДж md, г/кДж U1, кВ Wa, кДж md, г/кДж N 1,5 15,6-18,6 0,014 1,25 17,1 2 0, 1,0 8,4 0,014 0,5 2,6 5 0, 0,5 2,6 0,018.

В таблице 1 показано, что удельная эрозия md материала в однократных опытах с разной энергией дуги увеличивается с увеличением энергии. Сравнение с данными таблицы 2 показывает, что md однократного воздействия существенно больше, чем средняя md после нескольких последовательных воздействий. Это обусловлено меньшими затратами энергии на выработку поверхностного слоя полимерного материала, не связанного стекловолоконной арматурой при первом воздействии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Д.Д. Шеметов, Д.Ю. Герасимов. Влияние материала контактных элементов выключателя на электрическую прочность диэлектриков после воздействия плазмы разряда // Перспективы развития фундаментальных наук труды VII Международной конференции студентов и молодых учных. Россия, Томск, 20–23 апреля 2010 г. [Электронный ресурс]: Режим доступа: http://science persp.tpu.ru/Previous%20Materials/Konf_2010.pdf – С. 213-215.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ ДУГОГОСИТЕЛЬНЫХ КАМЕР ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ДУГИ ОТКЛЮЧЕНИЯ МЕТОДОМ ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ Верещагин Д.М., Герасимов Д.Ю.

Научный руководитель: профессор, д.т.н. А.А. Сивков Томский политехнический университет, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 30, E-mail: vere@sibmail.com RESEARCH OF MORPHOLOGY OF DIELECTRIC MATERIALS OF EXTINGUISHING CHAMBERS OF CIRCUIT BREAKERS(WITH VOLTAGE RATING UP TO 1000v) WITH A METHOD OF OPTICAL MICROSCOPY.

D.M.Vereshchagin, D.Yu. Gerasimov Scientific Supervisor: Prof., Dr. A.A. Sivkov Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, E-mail: vere@sibmail.com In this paper was presents research the dielectric surface after exposure to the arc off the short circuit current. Shows a micrograph gap between the electrodes with high magnification. On the photos show that the insulator is polluted with eroded metal from the electrode surface.

Согласно [1] при отключении тока короткого замыкании и гашении электрической дуги в выключателях низкого напряжения происходит взаимодействие плазмы дуги отключения и поверхностью диэлектрического материала в дугогасительной камере. Это приводит к термическому разложению поверхности, загрязнению поверхности материала углеродными продуктами разложения и эродированного металла с поверхности электродов, а также к деструкции самого материала. Целью являлось исследование влияния воздействия дугового разряда на морфологию поверхности диэлектрика.

Исследования проведены с использованием в качестве диэлектрика обычный стеклотекстолит и модернизированный. Схема эксперимента описана в работе [2]. В опытах оставались постоянными:

материал основных (сильноточных) электродов CuW (75%-25%), геометрия макетного устройства, расстояние от конца основных электродов до поверхности образца e-s=10 мм.

Исследования морфологии поверхности диэлектриков проведены на оптическом металлографическом микроскопе OLYMPUS GX71 с цифровой камерой DP70 и программным обеспечением ImageScopeM.

Исследовался промежуток длиной 16 мм между отверстиями для электродов высоковольтного контура.

Производилось 5-6 микроснимков при кратности увеличения х50. Полные микрофотографии исследуемых промежутков на поверхностях диэлектриков и снимки отдельных фрагментов с большим увеличением (х100, х200) показаны на рис. 1-4.

Детальный анализ микроснимков позволил выявить следующие основные особенности морфологии поверхности:

Наличие на поверхности светлых оголившихся стекловолокон.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

Наличие на поверхности диэлектриков, содержащих стекловолокно, сферических объектов коричневого и красно-коричневого цветов диаметром от 10 мкм до 200 мкм. Эти объекты являются частицами металла, эродированного с электродов сильноточного контура. Материал электродов – сплав CuW (~75%:25%). Преобладают частицы коричневого цвета (вольфрам).

Все сферические металлические объекты сопряжены и удерживаются оголившимися стекловолокнами.

Поверхность стекловолокон металлизирована.

На исходных поверхностях диэлектриков (до воздействия дуги) оголившиеся волокна отсутствуют.

Рис. 1. Микрофотографии поверхности диэлектрика.

Рис. 2. Микрофотографии поверхности диэлектрика.

На рис. 5 приведены микрофотографии поверхности диэлектрика при различном значении энергии.

Мы можем сделать вывод что при увеличении энергии увеличивается количество эродированного металла с поверхности электродов, следовательно на поверхности диэлектрика осаждается больше металлического пара. Графическая зависимость массы осажденного на поверхности диэлектрика от величины энергии дуги представлена на рисунке 4. Данные были получены после трехкратного РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

воздействия дуги на поверхность диэлектрика.

Рис. 3. Микрофотографии поверхности диэлектрика: а) исходная морфология диэлектрика;

б) после воздействия дуги с энергией 2,5 кДж;

в) после воздействия дуги с энергией 8,5 кДж;

д) после воздействия дуги с энергией 17,0 кДж.

W,кДж 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0, m,гр Рис.4. Зависимость массы металла эродированного с электродов на поверхность диэлектрика от величины энергии дуги.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Брон О.Б., Сушков Л.К. Потоки плазмы в электрической дуге выключающих аппаратов. - Л.:

1.

«Энергия». – 1975. – 211 с.

Сивков А.А., Герасимов Д.Ю., Шеметов Д.Д. Исследование динамики электрической дуги 2.

отключения // Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии. Материалы IV Всероссийской конференции молодых ученых (19-21 октября 2009 г., Томск, Россия). – Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2009. – с. 45-48.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ТЕРМО-ЭДС В СПЛАВЕ ТИТАНА ВТ1- В.В. Владимирова, Е.И. Таразанова Научный руководитель: профессор, д.ф.-м..н. Ю.П. Черданцев Томский политехнический университет, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 30, E-mail: vladimirova@sibmail.com HYDROGEN INFLUENCE ON THERMO-EMF IN COMMERCIAL PURE TITANIUM V.V. Vladimirova, E.I. Tarazanova Scientific Supervisor: Prof., Dr. Yu.P. Cherdantsev Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, E-mail: vladimirova@sibmail.com In this article the dependence of thermo-emf from hydrogen concentration in commercial pure titanium was obtained. It was shown hydrogen concentration increasing reduces thermo-emf in commercial pure titanium. This dependence hasn’t linear behaviour. The abrupt changes of thermo-emf are caused by the formation of chemical compounds (- and -hydrides of titanium).

Введение. Открытый еще в 18 веке титан практически не применялся до середины прошлого столетия.

Интерес к этому металлу возник благодаря важным для техники свойствам [1]. Титан и его сплавы стали незаменимым материалом во многих областях промышленности. Благодаря малому удельному весу и высокой прочности титан является ценным авиационным материалом. Кроме этого он незаменим в химической промышленности из-за высокой коррозионной стойкости во многих химических средах [2].

При освоении производства титана и его сплавов возникли трудности, связанные с водородной хрупкостью, приводящей к преждевременному разрушению деталей. Несмотря на определенные успехи в борьбе с водородной хрупкостью, полностью проблема титан–водород не решена. Необходимы дальнейшие всесторонние и глубокие исследования вопроса влияния водорода на свойства титана и его сплавов. Для этой цели применяют различные методы неразрушающего контроля [3]. Высокая чувствительность термоэлектрических параметров к дефектам, примесям, изменению физических и механических характеристик, химического и фазового состава, простота и высокая скорость измерений предопределили успешное применение термоэлектрического метода контроля качества проводящих материалов и изделий из них [4]. Исходя из этого, целью данной работы является исследование влияния содержания водорода на термо-эдс в сплаве титана ВТ1-0.

Методика эксперимента. В качестве материала исследования были выбраны образцы технического титана (Fе 0,18;

Si-0,1;

С-0,07;

N-0,04;

О- 0,12;

Н-0,01) размером 10,05,01,0 мм3 в отожженном состоянии. Исследуемые образцы подвергались механической шлифовке с использованием наждачной бумаги разной зернистости.

Насыщение водородом осуществляли в установке Gas Reaction Controller методом Сивертса при температурах 300–600°С, давлениях 0,6 и 2 атм., временах насыщения 30…300 минут. Процесс насыщения титановых образцов водородом был выполнен в следующей последовательности: проводилась откачка системы до рабочего давления (10-6атм), затем осуществлялись разогрев печи и камеры с образцами до заданной температуры (перепад температур на границах области термообработки составлял ±20°C), напуск водорода в камеру до давлений (0,60±0,05) или (2,00±0,05) атм, выдержка в печи в течение заданного времени, откачка системы до остывания камеры. В результате данной обработки были получены образцы с массовым содержанием водорода в пределах 0,0008…1,5673 масс.%. Концентрацию водорода в образцах ВТ1- определяли с помощью газоанализатора RHEN 602 фирмы LECO.

Измерения термо-эдс проводили с использованием прибора, состоящего из двух электродов, между РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

которыми поддерживалась постоянная разность температур, и вольтметра для регистрации возникающей в цепи термо-эдс. Постоянная разность температур создавалась благодаря нагреву одного из электродов и поддержанию при комнатной температуре второго. Контроль за температурой горячего электрода осуществлялся с помощью поддержания постоянного значения термо-эдс на эталонном образце (медь).

Результаты и их обсуждение. В результате эксперимента была получена зависимость термо-эдс от концентрации водорода в сплаве титана ВТ1-0, представленная на рис. 1.

Для исходного образца с массовым содержанием водорода порядка 0,0008 значение термо-эдс составляло 864 мкВ.

Увеличение концентрации водорода в материале приводит к существенному снижению термо-эдс вплоть до появления отрицательных значений. При этом снижение термо-эдс имеет нелинейный характер. Наблюдаются два плато при концентрациях водорода 0,05-0,37 и 0,55-1,57 масс.%, для Рис. 1. Зависимость термо-эдс от концентрации которых увеличение массовой доли газа не приводит к водорода в образцах сплава титана ВТ1- изменению значения термо-эдс. А также на графике видны области, характеризующиеся скачкообразным уменьшением значений термо-эдс при концентрациях водорода менее 0,05 масс.% и в интервале 0,37-0,55 масс.%.

Скачкообразное изменение термо-эдс от концентрации водорода объясняется образованием химического соединения (гидрида) [5]. Согласно фазовой диаграмме состояния системы титан-водород [6], при температурах 300-600°С титан поглощает водород с образованием твердых растворов внедрения. Выделение гидридных фаз происходит при остывании образцов до комнатной температуры, когда растворимость водорода в титане резко снижается. Различают три типа гидридов в технически чистом титане: (TiH), (TiH1,5-1,99) и (TiH2) [6].

Возможно первому скачку термо-эдс соответствует образование -гидрида, а второму скачку термо-эдс – образование -гидрида титана. Концентрации водорода, необходимые для выделения -гидрида (~2,7 масс.%), в ходе эксперимента не были достигнуты. Поэтому третьего скачкообразного снижения термо-эдс не наблюдалось.

Заключение. В ходе работы было исследовано влияние водорода на термо-эдс в сплаве титана ВТ1-0. Было определено, что величина термо-эдс нелинейно зависит от концентрации водорода в металле. Образование - и -гидридов титана приводит к скачкообразному уменьшению значения термо-эдс.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Masato Ito, Daigo Setoyama, Junji Matsunaga. Electrical and thermal properties of titanium hydrides // Journal of Alloys and Compounds. – 2006. – № 420. – P. 25–28.

2. Ливанов В.А., Буханова А.А., Колачев Б.А. Водород в титане. – М.: Металлургиздат, 1962. – 246 с.

3. Клименко С.П., Грицина В.М., Петельгузов И.А., Черняева Т.П. Использование методов измерения термоэдс и электросопротивления для исследования фазовых превращений в сплаве Zr1Nb // Вопросы атомной науки и техники. – 2007. – № 91. – С. 142–148.

4. Неразрушающий контроль: справочник: в 8 т. / под ред. В. В. Клюева. – 2-е изд., перераб. и испр. – М.: Машиностроение, 2006. – Т. 5. – 688 с.

5. Демин Ю.Н. Физика металлов. – М.: Изд-во МГИУ, 2003. – 264 с.

6. Rengen Ding, Ian P. Jones. In situ hydride formation in titanium during focused ion milling // Journal of Electron Microscopy. – 2011. – №60. – P.1–9.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ОСАЖДЕНИЯ ИЗ АБЛЯЦИОННОЙ ПЛАЗМЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНЫХ БИОАКТИВНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ИМПЛАНТАТАХ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ СВОЙСТВ НА ПРИБОРЕ «НАНОСКАН»

Т.Л. Волокитина, Е.Ю. Чалов Научный руководитель: к.ф.-м.н., доцент С.И. Твердохлебов Томский политехнический университет, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30, E-mail: VolokitinaTL@sibmail.com APPLICATION OF THE METHOD OF DEPOSITION CALCIUM PHOSPHATE BIOACTIVE COATINGS BY ABLATION PLASMA FOR IMPLANTS AND STUDY OF THEIR PROPERTIES WITH DEVICE "NANOSCAN" T.L. Volokitina, E.Yu. Chalov Scientific Supervisor: associate professor, PhD in physics S.I. Tverdokhlebov Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, E-mail: VolokitinaTL@sibmail.com Calcium phosphate coatings on various substrates have been obtained and have been studied. Coatings were obtained by synthesis from the ablation plasma formed by irradiation of the target of hydroxyapatite with powerful ion beams of nanosecond duration. A study of physical and mechanical properties of coatings were carried out on the "NanoScan device.

В восстановительной хирургии последнее время все шире применяются имплантаты с биопокрытиями, которые должны удовлетворять определенным требованиям по механической, химической и биологической совместимости [1]. В стоматологии и травматологии применяются биосовместимые композиционные материалы на основе металлических и керамических подложек и гидроксиаппатита (ГА). Тонкопленочные кальций-фосфатные (КФ) покрытия, получаемые на основе ГА, обладают хорошими механическими и медико-биологическими свойствами [2].

Существует много методов получения покрытий для имплантатов различного назначения. Метод получения определяет состав и структуру покрытия, его физико-механические и медико-биологические свойства, а так же экономическую рентабельность производства покрытий. Вакуумные ионно плазменные методы позволяют получать биопокрытия для медицинских применений с контролируемыми параметрами. Оптимальный тепловой источник, приводящий к быстрому плавлению и испарению материала мишени, может быть создан при ее облучении мощными пучками ионов с энергией в несколько сотен КэВ. Кроме того, мощные ионные пучки (МИП) характеризуются высокими значениями коэффициента поглощения энергии веществом. КПД ионных импульсных ускорителей (20 – 40 %) значительно выше КПД лазерных установок (не более 3%), используемых для получения лазерной абляции. Применение мощных ионных пучков традиционно носит название МИП метод.

На рис. 1 представлена геометрическая схема расположения мишени, подложки и ионного пучка при МИП методе. Мишень устанавливалась на расстоянии R от анода диода. Распыляемая поверхность мишени наклонена под углом ~ 45° (отсчет от поверхности) к направлению распространения ионного пучка. В РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

направлении нормали к поверхности мишени на расстоянии d от мишени устанавливается подложка, параллельно или под небольшим углом к поверхности мишени ( 30°). Сформированный пучок ионов движется в вакууме к мишени, и при взаимодействии с материалом мишени образует абляционную плазму, из которой и происходит синтез покрытия на подложку. Нанесение пленки осуществляется серией из N импульсов.

Важным свойством биопрокрытий являются их механические характеристики.

Одним из методов исследования физико механических свойств является метод Рис. 1. Геометрическая схема МИП метода. наноиндентирования. Данный метод R – расстояние от анода до центра мишени;

d – позволяет определить такие важные расстояние от мишени до подложки;

– угол падения пучка на поверхность мишени;

– угол между центром характеристики, как модуль упругости, подложки и нормалью к мишени.

твердость, контактную жесткость и др.

Приборы, позволяющие реализовать данный метод, производятся различными зарубежными фирмами, например, CSM Instruments (Швейцария). Отечественными производителями производится прибор «НаноСкан» (ФГУ ТИСНУМ), который имеет ряд преимуществ, обусловленных его техническими характеристиками. НаноСкан – это сканирующий силовой микроскоп, работающий на открытом воздухе в жестком контактном режиме. Главными отличиями данного прибора от других подобных устройств является высокая жесткость (6104 Н/м) керамического кантилевера и использование в качестве индентора алмазной пирамиды или ультратвердого фулерита. Это позволяет не только получать информацию о топографии поверхности, но также в режиме жесткого контакта оценить твердость и модуль упругости сверхтвердых материалов, в том числе, алмаза и многих покрытий.

Измерительная система НаноСкан позволяет проводить измерение топографии и измерение карт механических свойств поверхности на одном ее участке. Это дает возможность сравнивать топографию и распределение механических свойств. Благодаря высокой изгибной жесткости консоли зонда и применению игл из твердых материалов НаноСкан позволяет проводить индентирование и царапание поверхности. Индентирование проводится путем нагружения иглы в определенной точке поверхности.

Царапание осуществляется путем нагружения, аналогично индентированию, и последующего горизонтального перемещения индентора под нагрузкой. Размер отпечатка или царапины определяется путем сканирования рельефа до и после индентирования. Кроме того, НаноСкан позволяет осуществлять измерение твердости. Определение твердости основано на методе сравнительной склерометрии, когда царапина наносится поочередно на изучаемый материал и эталон, твердость которого известна. Анализ царапины заключается в измерении ее средней ширины при определенной нагрузке. Твердость определяется по формуле:

PX hS, H X HS PS h X РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

где НX и НS – твердость изучаемого образца и эталона соответственно, PX и PS – нагрузка на индикатор при царапанье образца и эталона соответственно, hX и hS – средняя ширина царапин на образце и материале соответственно.

Таблица 1.

Физико-механические свойства покрытий Режим получения, Подложка Твердость Н, ГПа покрытие Эталон – плавленый кварц 72,7±0,4 (0,55%) 300 импульсов МИП, Нерж. сталь 5,4±0,7 (12,9%) КФ 400 импульсов МИП, Нерж. сталь 2,9±0,4 (13,8%) КФ 500 импульсов МИП, Нерж. сталь 3,90±0,15 (3,8%) КФ Рис. 2. Топография КФ 6,8±1,4 (20,31%) поверхности КФ покрытия на Ti нержавеющей стали ( Ti ~ Нержавеющая сталь импульсов МИП) ~0, На приборе НаноСкан проводилось измерение микротвердости КФ покрытий. Подложками служили титан (ВТ1-0) и нержавеющая сталь (12Х18Н10Т). Результаты измерений микротвердости приведены в табл. 1. Толщина определялась профилометрическим методом. Значения микротвердости для каждого режима получения находятся в одном диапазоне – от 3 ГПа до 7 ГПа.

Микротвердость КФ покрытий, полученных МИП методом, составляет 3-5 ГПа, что на порядок выше твердости подложек из нержавеющей стали (0,18 ГПа) и титана (1 ГПа). Таким образом, подложка не влияет на твердость покрытия.

На рис. 2 приведена топография поверхности КФ покрытия на нержавеющей стали, нанесенного МИП методом (300 импульсов), после процедуры склерометрии.

МИП метод позволяет получать тонкие биопокрытия для применения в медицине. Одним из методов определения функциональных свойств тонких покрытий является метод наноиндентирования на сканирующем зондовом микроскопе НаноСкан, который можно считать условно неразрушающим, поскольку глубина погружения индентора при испытаниях незначительна. Подложка не влияет на значение микротвердости КФ покрытия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Маттиас Эппле. Биоматриалы и биоменирализация. Перевод с немецкого под ред. В.Ф. Пичугина, Ю.П. Шаркеева, И.А. Хлусова. Томск: издательство «Ветер», 2007. – 137 с.

2. Твердохлебов С.И., Ремнв Г.Е., Пушкарв А.И., Швецов Е.Е., Аронов А.М. Применение метода осаждения из абляционной плазмы для получения кальций-фосфатных биоактивных покрытий на имплантатах //Актуальные проблемы электронного приборостроения: X Международная конференция - Новосибирск, 22-24 сентября 2010. - Новосибирск: НГТУ, 2010. – с. 89- 3. G.P. Dinda, J. Shin, J. Mazumder. Pulsed laser deposition of hydrixyapatite thin films on Ti-6Al-4V:

Effect of heat treatment on structure and properties // Acta Biomaterialia, 2009. No.5. pp. 1821-1830.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

SINGLE-WIRE TRANSFER OF ELECTRIC ENERGY E.N. Glushkov, P.A. Ilin, O.V. Mudarisov Scientific Supervisor: Prof., PhD. phys.-mat. V.F. Myshkin Language Supervisor: Teach., A. V. Tsepilova Tomsk Polytechnic University, 30, Lenin str., Tomsk, Russia, E-mail: pa_ilin@mail.ru ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПО ОДНОМУ ПРОВОДУ Глушков Е.Н., Ильин П.А., Мударисов О.В.

Научный руководитель: профессор Мышкин В.Ф. Консультант-лингвист: Цепилова А. В.

Томский политехнический университет, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 30, E-mail: pa_ilin@mail.ru In the given article the method of energy transfer by one wire is considered. The work contains experiments and calculation some characteristics of the facility.

We cannot imagine modern technocratic society without numerous electronic devices. Also, for production of electric energy a lot of recourses are consumed. Efficiency coefficient of modern lines of electricity transfer equals 90–95 percent. With all newest technologies total looses equal 5-10 percent. Evidently, the problem of decrease of electric energy transfer losses is very important and it is necessary to look for some ways to solve it.

Nowadays, the problem of conservation of resources has leading positions in world. The objective of our work is realization of transferring electric energy by a single wire with high coefficient of efficiency and explanation of processes taking place at transmission.

In his well-known experiment the Russian researcher S.V. Avramenko transferred power equal to approximately 1,3 kilowatts. He used a car generator with frequency equal to 8 kilo-Hertz as power supplier.

The length of the wolfram wire is 2,75 m. with a Fig.1. Measuring wire diagram of first facility diameter of 15 micrometers. The resistance of such a wire is much more then the one of a cuprum wire with the same length. It means that this wire must radiate heat and have big losses. But the researcher claimed that the wire was cold. That is why transfer line «didn’t have resistance» likes a «superconductor»

under standard conditions. But in this work there are Fig. 2. Voltage-length diagram. U0 is the voltage in plug at no results of such research [1].

the start of the line. Ul is the voltage in plug at the end of the line.

For test operation we made two experimental assemblies. The first assembly (Figure 1) consists of a generator and a wire diagram, which is the convertor of direct-current voltage to alternating voltage. Transformer T is fed by convertor. Transformer has the following characteristics: a bobbin with 1-6 coils of cuprum wires with diameter equal to 0,15 millimeters, a bobbin with 2- 20 coils of cuprum wires with diameter equal to 0,2 millimeters, bobbin with 3- 1800 coils of cuprum wires with diameter equal to 0,12 millimeters.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

We use cuprum wire with diameter equal to 0,12 millimeters as transfer line. In rags of lines we fixed diode plugs, as a load. We fixed the resistance of 75 Ohms in every plug. The length of transfer lines was changed from 1 meter to 40 meters. The voltage measured by oscillograph in accordance with figure 1. Simultaneously we measured a time delay of voltage relatively to one an other. We directed a voltage equal to 5 Volts with current strength equal to 500 milliamps to the input of transformers. Current strength is measured in millimeter.

In fig. 2 there is a voltage-length diagram. When the length of the wire was equal to 10 meters, we registered a decrease of voltage in the first plug. This is why we calculated average voltage and average capacity in the first plug.

W0average=U02/R0=2.0562/75=0.0564 Vats After it, we calculated the capacity in the second plug by length l L=20 meters and L=40 meters.

WL=20=0.027Vats. Coefficient of efficiency=47.9%. WL=40= 0.021 Vats. Coefficient of efficiency=37.2% Previously scientists gave theoretic assumptions about these results. For example, this effect accounts for bias current and resonance phenomena’s- coincidence of frequency voltage of power source and inherent frequency of ripple and atomic lattice (if it’s possible). In 1830-th years Faraday wrote about instantaneous current in a single line in compliance with Maxwell’s electrodynamics. Polarization current occurs without emission of Joule heating;

it means that the conductor offers no resistance.

The second experimental facility consists of a high-frequency generator with the following characteristics: output voltage equal to 15 kilowatts, capacity equal to 1,5 Vats;

decrease transformer without slog, with coefficient of transformation equal to 166;

double-half period rectifier composed of diodes 1N4007;

resistors equal to 910 Ohm and 4, kilo Ohm;

and capacity of 0,5 microfarad. The scheme of this facility is presented in fig. 3. We used two wires. The length of first wires equals 27 meters with a diameter of 0,15 millimeters. The length of the second wire equals 35 meters with diameter equal 2,7 millimeters. For measurement we used an oscillograph connected to resistance of 910 Ohm. In course of our experiment we obtained the following results: 1) in measurement without transfer line (generator to measurement scheme) the voltage was equal to 6 Volts;

2) in measurement with transfer line with a length of 35 meters the voltage was equal to 0,9 Volts;

3) in measurement with transfer line with a length of 27 meters the voltage was equal to 4 Volts.

Calculating capacity formula: P= (U*K)2 / R1 + U2 / R2. K is ratio of resistors, is equal to 5,2.

For the first case: P= (6*5,2)2 / 4700 + 62/910= 0,25 Vats For the second case: P= (0,9*5,2)2 / 4700 + 0,92/910 = 0,0055 Vats For the third case: P= (4*5,2)2 / 4700 + 42/ 910= 0,1095 Vats It is seen, that with increasing wire diameter, voltage and Fig. 3. Wire diagram of second facility capacity decrease. Voltage is not impulse, consequently, resulting capacity is active. During measurement, we fixed two frequencies 100 kilohertz (10 microseconds) and 25 kilohertz (40 microseconds). Registered frequencies near few centimeters equal 133 kilohertz (7, microseconds) and 25 kilohertz (40 microseconds).

Few advantages of single-wire transfer of energy in the future: the amount of metal used for producing of wires will decrease several times;

short circuit will be excluded;

the risk of fire will be excluded. In our future work we plan to set up to resonance our high-frequency generator with receiver. It will allow to increase the coefficient of efficiency of our device.

REFERENCES 1. Zaev N. Technique to youth N1, РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

ЭМИССИОННЫЕ СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ А.К. Гореев, А.С. Климов, М.С. Воронинский Научный руководитель: профессор, д.т.н. В.А.. Бурдовицин Томский Государственный Университет Систем Управления и Радиоэлектроники, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 40, E-mail: Anton1006@mail2000.ru EMISSION PROPERTIES OF PLASMA IN THE DISCHARGE WITH HOLLOW CATHODE A.K. Goreev, A.S. Klimov, M.S. Voroninsky Scientific Supervisor: Prof., Dr. V.A. Burdovitsin Tomsk State University of Control System and Radioelectronics, Russia, Tomsk, Lenin str., 40, E-mail: Anton1006@mail2000.ru Results of researches of location annular anode in hollow cathode are shown. This location effects on parameters of glow discharge. Optimal stability of discharge and most emission possibility of plasma are observed when annular anode is in the middle part of hollow cathode.

1. Введение Исследованиям газового разряда с полым катодом посвящено достаточно много работ [1]. Но до сих пор этот тип разряда представляет научный и практический интерес. Это объясняется тем, что этот тип разряда применяется для генерации эмиссионной плазмы в электронных источниках. Проведенные ранее исследования позволили создать плазменный электронный источник функционирующий в диапазоне давлений 5-15 Па [2] и успешно применять его для совершенно новых задач – таких как обработка керамических материалов [3]. В то же время дальнейшее повышение рабочего давления может открыть новые перспективы для электронно-лучевой технологии – испарение металлов при таких давлениях активного газа может быть успешно использовано для получения нитридов и оксидов металлов. В существующей конструкции электронного источника извлечение электронов осуществляется через перфорированный анодный электрод. Стабилизация плазменной границы в сочетании с максимальной эффективностью извлечения требуют, чтобы толщина эмиссионного электрода не превышала 0,1 мм.

Повышение давления вызывает увеличение тепловой нагрузки на этот электрод, что вынуждает искать новые технические решения. Одним из решений может быть извлечение электронов через катодный электрод, поскольку в этом случае стабилизация плазменной границы может быть достигнута при больших диаметрах эмиссионных отверстий и большей толщине электрода. Сохранение высокой эмиссионной способности плазмы требует оптимизации электродной системы. Цель настоящей работы состояла в исследовании режимов горения тлеющего разряда в разрядной системе с полым катодом и кольцевым анодом и в экспериментальном определении местоположения анода в полом катоде, при котором наблюдается стабильное горение разряда и максимальная концентрация разрядной плазмы вблизи эмиссионной границы.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

2.Техника эксперимента Эксперименты проводились на макете разряд-ной системы (рис. 1), включающей в себя полый катод и кольцевой анод. С целью визуального наблюдения полый катод был выполнен в виде сетчатого цилиндра 1, диаметром 40 мм и глубиной 50 мм и размерами ячейки сетки 22 мм. Внутри катода располагался кольцевой анод 2, диаметром 25 мм. Выбор 6 4 1 2 3 кольца в качестве анода обусловлен в основном соображениями симметрии. Изменение длины –Ud держателей 3 позволяло перемещать анод внутри катодной полости вдоль ее оси симметрии.

+Ud Разрядная система помещалась в вакуумную камеру, давление в которой регулировалось в диапазоне 5-30 Па. Питание разряда осуществлялось нестабилизированным mA –Uk +Uk источником, схема подключения которого Рис. 1. Схема эксперимента.

показана на рис. 1. Предотвращение зажигания разряда на стенки вакуумной камеры достигалось помещением всего разрядного промежутка в стеклянную колбу 4 с отверстиями для введения электродов. C целью контроля эмиссионной способности плазмы 5, вблизи эмиссионного окна был установлен коллектор в виде металлического диска. На коллектор относительно катода подавалось отрицательное смещение, и фиксировался ионный ток. Такая конструкция позволила наблюдать визуально и производить фотографирование процесса зажигания тлеющего разряда в полости, а по интенсивности свечения плазмы и ионному току на коллектор 6 можно было судить о концентрации плазмы тлеющего разряда.

3. Результаты эксперимента и обсуждение результатов б а 1 2 Рис. 2. Тлеющий разряд в сетчатом полом катоде при расположении анода посередине катодной полости.

Давление а) - 11 Па, б) – 13 Па. 1 – Сетчатый катод, 2 – кольцевой анод, 3 – плазма.

Измерения показали, что расположение анода внутри катодной полости влияет как на стабильность горения разряда в полости, так и на концентрацию плазмы вблизи торцевой стенки катода. Приближение анода к торцевой стенке катодной полости приводит к нестабильному горению разряда. Разрядная плазма в основном сосредотачивается за анодом, а увеличение давления до 30 Па приводит лишь к увеличению свечения этой плазмы. При удалении анода от торца катода положение плазмы начинает зависеть от давления – в диапазоне 6-11 Па плазма, как и в случае малого расстояния от анода до торца катода, располагается за анодом, рис. 2, а.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

Увеличение давления приводит к перемещению плазмы в область между анодом и торцом катодной полости, что наблюдалось визуально, рис. 2, б.

Наибольшая стабильность разряда наблюдается при Ik, мА максимальном удалении анода от торца катодной полости.

Результаты измерений ионного тока на коллектор представлены на рис. 3. Наибольшее 0 150 300 450 Uk, В значение ионного тока было обнаружено при Рис. 3. Зависимость ионного тока на коллектор от напряжения коллектора. Расстояние «анод-торец расположении анода посередине катодной полости.

катода»: 1 – 32 мм, 2 – 9 мм, 3 – 45 мм. Давление 12 Па. Рост давления в вакуумной камере приводил к росту концентрации и уменьшению напряжения горения разряда.

Полученные результаты позволяют представить механизм образования плазмы в полом катоде следующим образом – при малом расстоянии от анода до торца катода плазма может существовать только за анодом, и концентрация ее вблизи торца катода минимальна. В такой разрядной системе эффективное извлечение электронов невозможно. Оптимальным является положение анода в средней части катодной полости. При этом между катодом и анодом достаточно пространства для образования плазмы, и горение разряда является стабильным.

Заключение Исследован разряд с полым катодом, в котором анод располагается внутри катодной полости.

Результаты проведенных экспериментов показывают, что расположение анода посередине катодной полости является оптимальным с точки зрения получения максимальной концентрации плазмы вблизи торца полого катода. Смещение анода от этого положения приводит к нестабильному горению разряда. С ростом давления увеличивается концентрация плазмы в полости. Данные результаты могут быть использованы в источнике электронов с полым катодом, когда в роли эмитирующего электрода выступает катод.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 11-08-00074-а и гранта Рособразования № 2.1.2/1951.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Известия ВУЗов «Физика» / Тематический выпуск «Плазменная эмиссионная электроника», под редакцией профессора П.М. Щанина. Том. 44. выпуск 9. – 2001. – 96 с.

2. Бурдовицин В.А, Жирков И.С., Окс Е.М., Осипов И.В., Федоров М.В. Источник электронов с плазменным катодом для генерации сфокусированного пучка в форвакуумном диапазоне давлений // ПТЭ. – 2005. – № 6. – С.66-68.

3. А.В.Медовник, В.А.Бурдовицин, А.С.Климов, Е.М.Окс. Электронно-лучевая обработка керамики // Физика и xимия обработки материалов. – 2010. – №3. – С.39-44.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ТЕМПЕРАТУРЫ МАРТЕНСИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ В МОНОКРИСТАЛЛАХ Ti-50,7Ni Ю.Н. Данильсон Научный руководитель: доцент, д.ф.-м.н. И.В. Киреева*.

Научный консультант: профессор, д.ф.-м.н. Ю.И. Чумляков* Томский политехнический университет, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 30, *ОСП «Сибирский физико-технический институт Томского государственного университета», Россия, г. Томск, пл. Новособорная, 1, E-mail: lesoto@sibmail.com THE INFLUENCE OF HYDROGEN ON TEMPERATURES OF MARTENSITIC TRANSFORMATION IN TI-50,7NI SINGLE CRYSTALS Yu.N. Danilson Scientific supervisor: Dr. I.V. Kireeva*. Scientific consultant: Dr. Yu.I. Chumlyakov* Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, 30 Lenina Ave., *Siberian Physical-Technical Institute at Tomsk State University, Russia, Tomsk, sq. Novosobornaya, 1, E-mail: lesoto@sibmail.com On Ti-50.7Ni single crystals influence of hydrogen on temperatures martensitic transformations is investigated. It is shown, that hydrogen in Ti-50.7Ni single crystals lowers Ms, Mf, leads to change from a symmetric thermal hysteresis in the solutionized crystals without hydrogen to asymmetrical with hydrogen.

Сплавы на основе никелида титана, обладающие эффектом памяти формы и сверхэластичности, широко используются в медицине в качестве инструментов и имплантатов, работающих в условиях воздействия водородом. Поскольку титан и никель являются гидридообразующими металлами, то необходимо знать, как насыщение водородом будет влиять на температуры мартенситного превращения (МП) и на деградацию механических и функциональных свойств сплава. Поэтому в настоящей работе ставилась задача исследовать на монокристаллах никелида титана Ti-50.7Ni (ат.%) влияние насыщения водородом при плотности тока j=70 мА/см2 и Т=300 К на температуры МП и термический гистерезис.

Монокристаллы использовались в двух состояниях: в закаленном – отжиг при Т=1173К, 1 час с быстрой закалкой в воду и после низкотемпературной термомеханической обработки (НТМО) - деформация 8% при Т=77 К и отжиг при Т=713 К в течение 0.5 ч. Использование монокристаллов Ti-50.7Ni при изучении термоупругих МП позволит избежать осложнений, связанных с неоднородным распределением водорода между телом зерна и границей, которое имеет место в поликристаллах. Второе состояние после НТМО позволит выявить влияние водорода на температуры МП при наличии дефектов в кристалле.

Температуры Ms, Mf, соответственно, начала и конца прямого при охлаждении МП и As, Af, соответственно, обратного при нагреве МП определяли по зависимости электрического сопротивления (T), а на рис. 2 от температуры. На рис.1 представлены кривые зависимости электросопротивления температурные гистерезисы в координатах «объемная доля мартенсита-температура» для кристаллов Ti в зависимости от времени насыщения водородом и низкотемпературной термомеханической 50,7Ni РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

обработки (НТМО). Количественные изменения температур МП и величин, характеризующих термический гистерезис, представлены в таблице 1.

Рис.1. Зависимость электросопротивления от Ms Af температуры для монокристаллов сплава Ti-50.7Ni: отн. ед. As Af Ms - закаленный кристалл;

2 - закаленный кристалл после насыщения водородом в течение 4 ч. в H2SO4 при Ms As Af Т=300 К и j=70 мА/см2;

3 - деформация 8% при Т=77К Mf и отжиг при 713 К в течение 0,5 ч.;

4 - деформация Ms As Af 8% при Т=77К, отжиг при 713 К в течение 0,5 ч. и Mf насыщение водородом в течение 4 ч. в H2SO4 при As Т=300 К и j=70 мА/см 323 T, К 123 173 223 Рис. 2. Термические гистерезисы для монокристаллов сплава Ti-50.7Ni: а) закаленный кристалл;

б) закаленный кристалл после насыщения водородом в течение 4 ч. в H2SO4 при Т=300 К и j=70 мА/см2;

в) деформация 8% при Т=77К и отжиг при 713 К в течение 0,5 ч.;

г) деформация 8% при Т=77К, отжиг при 713 К в течение 0,5 ч. и насыщение водородом в течение 4 ч. в H2SO4 при Т=300 К и j=70 мА/см Из рис. 1 (кривая 1) видно, что в исходном состоянии монокристаллы Ti-50.7Ni характеризуются одностадийным В2-В19’ МП, которое начинается при температуре Ms=178 К. Значения переохлаждения 1=Mf-Ms и нагрева 2= As-Af, равные, соответственно, 45К и 31К, свидетельствуют о накоплении упругой энергии при прямом МП и ее снятии при обратном переходе. Величины термического гистерезиса Г1= Af-Ms и Г2= As-Mf оказываются близкими друг другу, в результате гистерезис имеет практически симметричный вид: 1 2 = 1,45, Г1 Г 2 = 1,31. Обратимые МП в закаленных кристаллах без водорода начинаются при As Ms.

(T) (рис.1, кривая Насыщение водородом в течение времени t= 4 часа, как показывает зависимость 2), не изменяет стадийности МП относительно исходного состояния без водорода, способствует понижению Ms и Mf на 11 К и 40 К, соответственно. Сопоставление величин термических гистерезисов в монокристаллах Ti-50.7Ni без водорода и с водородом показывает, что водород приводит к увеличению переохлаждения ( H 2 1 =1,65) и к уменьшению степени перегрева ( H 2 2 =0,71). В степени 1 результате термический гистерезис становится несимметричным. Подобная картина наблюдалась в РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

сплавах TiNi с дисперсными частицами [1]. Значит, можно сделать вывод, что насыщение водородом приводит к образованию частиц. Действительно, в [2] было обнаружено, что наводороживание приводит к распаду TiNi TiNi3+TiH2. Обратимые МП в закаленных кристаллах с водородом также как и без него начинаются при AsMs.

Таблица 1.

Температуры мартенситного превращения, упругая энергия и энергия диссипации для монокристаллов сплава Ti-50.7Ni E d, Еупр, 1, 2, Г1, Г 2, Ms, M f, As, Af, T 0, Термообработка К К К К Дж/моль Дж/моль K K K K K Закаленный 178 133 192 223 201 45 31 59 45 43,95 74, Закал. + Н2 167 93 200 222 195 74 22 107 55 53,71 93, НТМО 192 73 259 278 235 119 19 186 86 83,98 134, НТМО + Н2 203 73 256 278 241 130 22 183 75 73,23 148, Полученные экспериментальные значения температур МП позволяют оценить вклады упругой Еупр и диссипативной энергии Ed в нехимическую составляющую свободной энергии по формулам (1) [1].

S ch S ch E упр T0 S ch ( As M f ) E d (Af M s ), ;

(1) 2 где Sch = 1,953 Дж/(моль·К) – энтропия превращения. После насыщения водородом упругая энергия увеличивается на 26%, а энергия диссипации на 22% (табл.). Отношение Еупр/ Ed=1.75 и высокий уровень запасенной энергии Еупр при наводороживании способствует обратимым B19’-B2 МП, которые происходят взрывом (рис.2, б). Свидетельством того, что водород действительно присутствует в материале и влияет на изменение упругой энергии, является так же изменение температуры T 0, которая определяется формулой Тонга-Веймана [1]:

Af M s T0 (2) Температура химического равновесия фаз T 0 зависит только от химического состава материала. Так как концентрация никеля и титана в сплаве не меняется, то изменение T0 от времени наводороживания качественно свидетельствует об изменении концентрация водорода в кристаллах.

НТМО монокристаллов сплава Ti-50.7Ni приводит к развитию двухстадийного B2-R-B19’ МП.

Видно, что введение дефектов после НТМО приводит к аналогичным эффектам, описанным выше.

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 10-03- 00154, 10-08-92501- ИК-а СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Панченко Е.Ю., Чумляков Ю.И., Киреева И.В. Влияние дисперсных частиц Ti3Ni4 на 1.

мартенситные превращения в монокристаллах никелида титана // Физика металлов и металловедение. – 2008, Т. 106. - №6. – С. 1-13.

2. Pelton T., Gong W.C. Structural and diffusion effect of hydrogen in TiNi.// ASM Materials & processes for Medical Devices Conference 2003.P.203-210.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 21 |
 





 
© 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.