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 || 6 | 7 |   ...   | 21 |

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

-- [ Страница 5 ] --

Исследования по термодесорбционной спектроскопии образцов (ТДС-анализ) проводились на установке, описанной в работе [5].

Исследования атомного и молекулярного состава приповерхностных слоев образцов проводились методами вторичной масс спектрометрии (ВИМС) на приборе МС-7201М и электронной Оже-спектроскопии (ЭОС) на установке «Шхуна». Окончательная обработка результатов измерений производилась с помощью пакета прикладных программ OriginPro 7.0 (OriginLab Comporation).

Результаты и обсуждение. На рис. Рис. 2. Графики распределения водорода в титане в пленках представлен элементный состав пленки на основе оксида и оксинитрида титана, полученные методом ВИМС. 1 - TiO2, исходный без водорода;

2 - TiO2, оксида титана, полученный методом ЭОС. Как насыщенный методом Сивертса, Т=773 К, Р=2 атм., t=2 ч;

видно из рис. 1 в составе покрытия - TiON, исходный без водорода;

4 – TiON, насыщенный методом Сивертса, Т=773 К, Р=2 атм., t=2 ч.

присутствуют титан и кислород. Однако ни ЭОС, ни ВИМС не обнаруживают присутствия азота в покрытиях, полученных в режиме II. Это связано с разной реакционной активностью кислорода и азота.

На рис. 2 представлены данные распределения водорода в образцах с пленкой на основе оксида и оксинитрида титана, исходных и насыщенных водородом методом Сивертса, полученные методом РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

ВИМС. Из данных зависимостей видно, что для исходных ненаводороженных пленок, как оксида титана, так и оксинитрида (рис. 2, кривые 1,3) на поверхности образца уже присутствует водород, причем в значительно больших количествах на оксиде. После насыщения в течение 2 ч (рис. 1, кривая 2) поверхностное количество водорода снижается почти в 3 раза, водород перераспределяется с накоплением на границе оксидной титановой пленки и подложки. Для пленки оксинитрида титана без насыщения водородом (рис. 1, кривая 3) характерно примерно одинаковое количество водорода по исследуемой глубине образца. После насыщения (рис. 1, кривая 4) выход водорода происходит как с поверхности, так и с приграничной области на глубине.

На рис. 3 представлены температурные спектры газовыделения (полученные на установке [5]) образцов оксида и оксинитрида титана, исходных и наводороженных методом Сивертса. Из данных зависимостей (рис. 3) видно, что после насыщения скорость десорбции водорода превосходит скорость выхода водорода из исходного образца. При температуре ~ К наблюдается максимум, который, по видимому связан с накоплением водорода на границе раздела пленки оксида титана и подложки нержавеющей стали 12Х18Н10Т, что связано с более продолжительным временем прогрева образца.

Выводы 1. Методом магнетронного распыления Рис. 3. ТДС-спектры пленок оксида и оксинитрида титана, получены пленки оксида титана. Однако исходных и после насыщения водородом по методу Сивертса при Т=773 К, Р=5 атм., t=4 ч.

используемые режимы не позволяют 1 - TiO2, исходный без водорода;

2 – TiON, исходный без водорода;

3 - TiO2, насыщенный по методу Сивертса, Т=773 К, Р=5 атм., ввести заметное количество азота в t=4 ч;

4 - TiON, насыщенный по методу Сивертса, Т=773 К, Р= покрытие.

атм., t=4 ч.

2. Изученные структуры перспективны в плане их использования для создания контейнеров – накопителей и хранителей водорода.

Работа поддержана грантом Правительства РФ № 11.G34.31.0003 от 01.12.2010 г. по направлению «Технологии водородной энергетики» и ФЦП, НК-558П, Госконтракт №П861 от 25.05.2010г. Авторы благодарят сотрудников НИЯУ «МИФИ»

Беграмбекова Л.Б., Садовского Я.А., а также сотрудников НИ ТПУ Лидера А.М., Пушилину Н.С. за помощь в проведении экспериментов СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Huang N., Yang P., Leng Y.X. et.al. // Biomaterials. – 2003. – V. 24. – P. 2177–2187.

2. Chen J.Y., Leng Y.X., Zhang X. et.al. // Surface&Coatings Technology. – 2004. – V. 186 – P. 270–276.

3. Lin Z, Lee IS, Choi YJ, et al // Biomed. Mater. – 2009. – V. 4. – P. 1–6.

4. Каштанов П.В., Смирнов Б.M. и др. // УФН. – 2007. – вып. 175. – № 5. – C. 473–510.

5. Айрапетов А.А., Беграмбеков Л.Б., Вергазов С.В., Захаров А.М., Кузьмин А.А., Садовский Я.А., Шигин П.А. // Вопросы атомной науки и техники. – 2009. – в. 3. – С. 25–29.

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

РАСЧЁТ ФАЗОВЫХ ДИАГРАММ МОДЕЛИ МАЛОГО ИЗИНГОВСКОГО НАНОМАГНЕТИКА МЕТОДОМ ГИББСА С УЧЁТОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТРЕТЬИХ СОСЕДЕЙ Е.П. Лаюров, Е.В. Санников Научный руководитель: профессор, д.ф-м.н. В.Н. Удодов Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова, Россия, г. Абакан, пр. Ленина, 90, E-mail: layurovep@yandex.ru CALCULATION PHASE DIAGRAMMES OF MODEL SMALL ISING NANOMAGNETIC BY GIBBS METHOD WITH THE ACCOUNT OF INTERACTION THE THIRD NEIGHBOURS E.P. Layurov, E.V. Sannikov, V.N. Udodov Scientific Supervisor: Professor, Dr. V.N.Udodov N.F. Katanov Khakas State University, Russia, Abakan, Lenin str., 90, E-mail: layurovep@yandex.ru Constructed phase diagrammes model one-dimensional nanomagnetic with the torn off ends a Gibbs method and influence of temperature on them taking into account interaction of the third neighbours is investigated Исследование магнетизма является одной из важнейших задач современной физики конденсированного состояния и теории критических явлений [1]. При моделировании низкоразмерных наномагнетиков очень важным является изучение диаграмм основных состояний этих магнетиков, и тем более фазовых диаграмм.





Диаграммы основных состояний магнетика дают возможность определить параметры в модельном гамильтониане, отвечающие за стабильность определенной структуры или структур при температуре абсолютного нуля.

Однако диаграммы основных состояний не учитывают ряд особенностей фазовых превращений:

температуру, при которой происходит процесс, наличие потенциальных барьеров, направление процесса, метастабильные состояния, в отличие от фазовых диаграмм [2].

Ранее, для учета таких особенностей моделирование в рамках аксиальной модели Изинга конечного размера проводилось классическим методом Монте-Карло, в котором приходилось ждать пока система придет в равновесное состояние. С учетом этого был разработан модифицированный алгоритм расчета фазовых диаграмм с использованием метода (распределения) Гиббса [3].

Целью данной работы является построение фазовых диаграмм модели одномерного наномагнетика с оборванными концами с учетом взаимодействия третьих соседей.

Гамильтониан системы имеет вид [3]:

0 N 1 N 2 N N h S i S i S i 1 J 2 S i S i 2 J 3 S i S i e (1) 1 i 1 i 1 i 1 i где безразмерная проекция вектора спина на некую ось равна Si =1(если спин направлен вверх ), Si = 1 (если спин направлен вниз ). h – безразмерная напряженность магнитного поля (проекция на ту же ось), E0 – энергия кристалла, 1 – энергия взаимодействия ближайших соседей, J2=2/1 – РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

относительный энергетический параметр взаимодействия вторых соседей, J3=3/1 – относительный энергетический параметр взаимодействия третьих соседей.

Формула для расчта вероятности реализации конкретной конфигурации Гиббса [4] Er e P(r ) (2) n Ei 2 e i где r - номер конфигурации, P (r) – вероятность r – ой конфигурации, Er – энергия r-ой конфигурации, суммирование проводится по всем возможным конфигурациям. Температура измеряется в безразмерных единицах:

kT (3) где k-постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура.

В ходе компьютерного эксперимента были полученные фазовые диаграммы одномерного изинговского наномагнетика, при различной температуре и размерах системы, которые представлены на рисунках 1 и 2.

а) б) в) Рис.1. Фазовые диаграммы при N=8, j2=-0.5 a) =0.1, б) =0.9, в) =1. а) б) в) Рис.2. Фазовые диаграммы при N=10, j2=-1.3 a) =0.1, б) =0.9, в) =1. Обозначения рисунка 2: Ф:1111111111;

Ф’:-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1;

b:111-1-1-1111-1;

c:1-1-1-1111-1-1-1;

d:1111-1-1-1111;

e:-1-1-1111-1-1-1-1;

f:111-1-1111-1-1;

g:11-1-1-111-1-1-1;

h:11111-1-1111;

j:-1-1-111-1-1-1-1 1;

k:11-1-111-1-111;

l:-1-111-1-111-1-1;

m:11-1-111-1-111;

n:1-1-111-1-111-1;

o:-111-111-111-1;

p:1-1-11-1-11 1-11.

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

Наиболее интересные результаты наблюдаются при температуре от 0,1 и до 2 и размере системы (числе узлов) N=8, N=10.

На рисунках 1а и 2а представлены фазовые диаграммы при низкой температуре, которые похожи на уже ранее построенные диаграммы основных состояний, но другими методами [5]. Диаграммы основных состояний строятся при температуре равной нулю, поэтому фазовые диаграммы при малой температуре =0.1 похожи. С увеличением температуры появляются новые фазы. На рисунке 1б,в их две:-1-11-1- и -1-1111111, а на рисунке 2б,в фаза одна:

-1-1-1-1-1+1+1+1+1+1.

Интересно, что при увеличении температуры на рисунке 1б,в первой появляется фаза -1-11-1- (антиферромагнетик) и при дальнейшем росте температуры рядом с ней появляется (как бы отслаивается) вторая фаза -1-1111111, которая уже не является антиферромагнетиком (ферримагнетик).

На рисунке 2б,в новая «фаза» имеет вид -1-1-1-1-1+1+1+1+1+1 (А) и е можно считать двухфазным состоянием с доменной границей.

При дальнейшем возрастании температуры новое состояние А становиться все более устойчивым, т.к.

увеличивается площадь, занимаемая «фазой» А на фазовой диаграмме (рис 2). Отметим, что используемый метод Гиббса справедлив только для равновесных состояний.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Удодов В.Н., Потекаев А.И., Попов А.А. и др. Моделирование фазовых превращений в 1.

низкоразмерных дефектных наноструктурах / В.Н. Удодов, А.И. Потекаев, А.А. Попов, С.В. Еремеев, В.В. Кулагина, М.В. Мартыненко, Е.А. Молчанова;

под общей редакцией В.Н. Удодова. – Абакан:

Издательство Хакасского государственного университета им. Н. Ф. Катанова, 2008. – 158 с.

Байдышев В.С., Статистическая теория метастабильных фазовых диаграмм политипных 2.

превращений в плотноупакованных кристаллах. / В.С. Байдышев, В.Н. Удодов, А.А. Попов, А.И.

Потекаев;

Ред. журн. Изв. вузов. Физика. — Томск, 2005. — 16 с. — Деп. в ВИНИТИ 20.04.05, № 562-В2005.

Санников Е.В., Козлитин Р. А., Удодов В. Н., Потекаев А. И. Фазовые переходы в одномерных 3.

магнетиках // Изв. вузов. Физика. Томск, 2006. № 3. С. 54–58.

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. – 616 с.

4.

Спирин Д.В. Особенности критической динамики изинговских наноразмерных магнетиков.

5.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

ИФПМ СО РАН, Томск, 2008.

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

UNTERSUCHUNG VON DEGRADATION DER KUPFERDNNSCHICHTЕ AUF DER POLYIMIDUNTERSCHICHT BEI DER HITZEWIRKUNG A.O. Ljazgin,1 A.I. Kozelskaja Wissenschaftlicher Betreuer: A.R. Schugurov. Sprachberater: N.S. Metalnikowa Polytechnische Universitt Tomsk, Ruland, Tomsk, Leninstrae, 30, Forschungsinstitut fr Physik der Festigkeit und der Werkstoffkunde SA RAW, Ruland, Tomsk, Akademitscheskiistrae, 2/4, E-mail: lyazgin@list.ru ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕГРАДАЦИИ ПЛЕНОК CU/ПОЛИИМИД ПРИ ТЕРМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ А.О. Лязгин,1 А.И. Козельская Научный руководитель: к. ф.– м. н.А.Р. Шугуров. Консультант-лингвист: Н.С. Метальникова Томский политехнический университет, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 30, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Россия, г.Томск, пр. Академический, 2/4, E-mail: lyazgin@list.ru В работе выявлены два вида деформации пленок Cu: гофрирование пленки, сопровождающееся когерентной вязкоупругой деформацией подслоя полиимида и коробление отслоившихся участков пленки. Показано, что изменение параметров гофра в процессе термического воздействия определяется релаксацией нормальных и касательных растягивающих и сжимающих напряжений, периодически распределенных вдоль волнистой границы раздела пленка-подслой.

Hohe Thermostabilitt, die chemische Stabilitt, sowie die mechanischen Eigenschaften des Polyimid (PI) haben breite Anwendung als konstruktive Elemente von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) [1], flexiblen Leiterplatten [2] u.a. bedingt. Die metallischen Dnnschichten, die auf Polyimid aufgetragen wurden, unterziehen sich im Laufe ihrer Erzeugung und Ausbeutung den thermomechanischen Einwirkungen hufig.

Infolge solcher Einwirkungen in den Dnnschichten entwickeln sich die starken Spannungen, die zu Deformation und der Zerstrung von Dnnschichten, und in der Endkonsequenz zu dem Ausfall der mikroelektronischen Einrichtungen bringen.

Der MEMS-Sensor stellt eine metallische Schicht dar, die auf das elastische Substrat aufgetragen wurde, und wird in Betrieb auf die feste Grundlage gefestigt. Daher ist es von Interesse, die Prozesse der Degradation bei den erhhten Temperaturen der Cu-Dnnschichten, die auf die Si-Substrate mit der Polyimidunterschicht aufgetragen sind, zu untersuchen. Das Ziel der Arbeit ist die Mechanismen der Degradation der Cu dnnschichten auf die Polyimidunterschicht im Laufe des thermischen Glhens zu untersuchen.

Experimenteller Teil. Die Cu/PI-Dnnschichten wurden auf die Si-Substrate aufgetragen. Nach der Ionenreinigung der Si-Platten in der Vakuumkammer in der Argonatmosphre beim Druck von 5 Pa wurden auf ihnen mittels des Zentrifugierenverfahrens die Polyimidschicht von Dicke von 3 mkm ausgeschieden. Dann wurden die Kupferdnnschichten von Dicke von 0,5 mkm der Methode des Magnetronzerstuben aufgetragen.

Das Glhen der Cu/PI/Si Kompositionen wurde im Vakuum und in der Zimmeratmosphre in der Temperaturstrecke von 100°C bis 445°C durchgefhrt. Die Glhenzeit wechselte man von 2 bis 30 Minuten ab.

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

Die Oberflchemorphologie der Dnnschichten wurden bis zu und nach der thermischen Beaufschlagung mit Hilfe des optischen Mikroskops Zeiss Axiovert 25С, optischen Oberflchenmegerts NewView 6200 und des Atom-Kraft-Mikroskops (AFM) Solver HV untersucht. Die rntgenographischen Untersuchungen der Dnnschichten wurden auf das Diffraktometer DRON-7 mit der Bndelung am Bragg-Brentano durchgefhrt.

Mit Hilfe des Atom-Kraft-Mikroskops wurde es gezeigt, dass die Ausgangskupferdnnschichten die gleichartige feinkrnige Struktur besitzen. Die mittleren Korngre der Ausgangskupferdnnschichten war 70 nm. Das Glhen der Kupferdnnschichten im Vakuum hat zum Wachstum der mittleren Korngre bis zu 350 nm nach dem Glhen bei der Temperatur 445 °С im Laufe 30 Minuten durchgefhrt. Dabei blieb die Oberflche der Dnnschichten glatt.

Das Glhen an der Luft hat die Oxidation der Kupferdnnschichten und die Bildung auf ihrer Oberflche der Oxidschichten ausgelst. Die Rntgenuntersuchungen haben gezeigt, dass die Kupferspitzen schon nach dem Glhen bei der Temperatur 370 °С im Laufe von 30 Minen auf den Rntgenogrammen gefehlt haben, und es wird nur die Reflexe verschiedener Kupferoxide beobachtet. Bis zur Glhtemperatur 300 °С hatte die Oxiddnnschicht des Oxids die gleichartige glatte Oberflche (Abb. 1,a). Jedoch entstanden die zahlreichen Gebiete der Runzelbildung nach dem Glhen bei 370° С im Laufe 30 Minuten auf der Oberflche der Dnnschicht (Abb. 1,b). Bei den Dnnschichten, die bei 445 °С ausgeglht wurden, wurde es auer der Runzelbildung auch das Gaufrieren der Oberflche (Abb. 1,c) beobachtet. Die Hhe der Runzeln der Rille nach dem Glhen im Laufe 2 Minuten bildete 0,37 mkm, und die Wellenlnge bildete 9,7 mkm (Abb. 2,a). Bei der Vergrerung der Glhenzeit nehmen die Hhe und die Wellenlnge der Runzeln allmhlich zu und nach dem Glhen im Laufe von 30 Minuten erreichen entsprechend 0,55 und 12 mkm (Abb. 2,b). Auf der Oberflche der Polyimidunterschicht wird die hnliche Rille (Abb. 2,c) beobachtet.

Ergebnisse und Diskussion. Die beobachteten Vernderungen des Reliefs sind von den thermischen Spannungen, die bei der Erhitzung des Cu/PI/Si Systems bis zur Glhtemperatur wegen des Unterschiedes der Wrmeausdehnungskoeffizienten der Kupferdnnschicht und des Siliziumsubstrats bedingt. Die Gren von diesen Wrmeausdehnungskoeffizienten kann man aus dem folgenden Ausdruck bewerten:

M T (1) а) b) c) Abb. 1. Optische Aufnahme der Oxiddnnschichtoberflche nach dem Glhen im Laufe 30 Minuten bei den Temperaturen 300 (a), 370 (b), 445 °С (с) Hierbei ist M der biaxiale Elastizittsmodul der Dnnschicht, T der Temperaturunterschied und die Verschiedenheit der Wrmeausdehnungskoeffizienten von Cu und Si. Aus (1) folgt, dass die Gre der Druckspannungen in den Kupferdnnschichten 0,8 GPа bei der Erhitzung bis zur Temperatur 370 °С und ~1 GPа bei der Erhitzung bis zu 445 °С erreichen kann.

Wie die durchgefhrten Forschungen gezeigt haben, fngt die Runzelbildung der Kupferdnnschichten bei den Temperaturen niedriger als ihr Gaufrieren an. Es ist von zwei Grnden bedingt. Erstens verfgt das Kupfer eine ungengende starke Adhsion auf Polyimid, was zur Bildung der Abtrennengebiete der Dnnschicht von der Unterschicht bringen kann. Zweitens ist Polyimid bei den Temperaturen bis zu 445 °С (das ist die Temperatur der Thermostabilitt von Polyimid) fr die kohrente Deformationen mit dem Substrat ungengend nachgiebig.

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

Unter diesen Bedingungen verluft die Relaxation der Druckspannungen in den Kupferdnnschichten auf Rechnung der Biegung der abgelsten Bereiche.

Das Gaufrieren der Cu-Dnnschichten verluft bei den Temperaturen, die die Temperatur der Warmfestigkeit а) c) b) Abb. 2. AFM-Bilder der Oberflche der Oxiddnnschichten nach dem Glhen an der Luft bei der Temperatur 445 °С im Laufe 2 (a) und 30 Minuten (b), und auch der Polyimidunterschicht nach dem Glhen bei der Temperatur 445° С im Laufe 2 Minuten (c) von Polyimid bersteigen. Deshalb ist es anzunehmen, dass Polyimid dabei nicht nur elastisch, sondern auch die viskose Deformation erprobt. Ein Ergebnis des Gaufrierens ist das Entstehen der welligen Dnnschicht-Substrat Grenzflche ausgezogen. Die periodische Verteilung der Normal- und Schubspannungen entwickelt sich bei der weiteren Kompression der Dnnschicht entlang Phasengrenze: in den Gipfeln der Runzeln entstehen die normalen Dehnungsspannungen, und auf dem Gebiet der Vertiefungen entstehen normale Druckspannungen. An der Anfangsetappe tragen die Spannungen zur Vergrerung der Amplitude der Rille bei. Jedoch geschieht die weitere Relaxation der Spannungen im Falle des viskoelastischen Substrat auch infolge der Vergrerung der Wellenlnge von Runzeln [3], nachdem die Amplitude der Runzeln mit der Dicke der Dnnschicht vergleichbar ist. Auf diese Weise versorgt die viskoelastische Deformation der Polyimidunterschicht zuerst nur die Vergrerung der Amplitude der Rille und dann die Vergrerung der Wellenlnge der Rille. Das wird auch bei Vergrerung der Glhdauer bei 445 °С von 2 bis 30 Minuten beobachtet.

Zusammenfassung. Die Untersuchungen zeigen zwei Arten der Deformation der Kupferdnnschichten, die wegen der Relaxation der thermischen Druckspannungen verlaufen: die Runzelbildung und das Gaufrieren. Die hnliche Deformation der Dnnschichten wird nur nach dem Glhen an der Luft beobachtet, whrend die Oberflche der Dnnschichten, die im Vakuum ausgeglht wurden, bleibt glatt im ganzen untersuchten Wrmegang. Das hngt damit zusammen, dass die Dnnschicht sowohl whrend der Runzelbildung als auch whrend des Gaufrierens elastisch deformiert wird. Deshalb im Laufe der nachfolgenden Abkhlung von der Glhtemperatur verschwindet die elastische Deformation, die whrend des Glhens der Dnnschichten im Vakuum entstand. Das Glhen an der Luft bringt zur Bildung oberhalb der Kupferdnnschicht der Oxidschicht, deren Wrmeausdehnungskoeffizient zu dem Wrmeausdehnungskoeffizient von Si nah ist.

LITERATUR 1. Стогний А.И., Ореховская Т.И., Тимошков Ю.В., Корякин С.В. О формировании объемных элементов микроэлектромеханических систем // Письма в ЖТВ. – 2001. – Т. 27. - №3 – С. 7-13.

2. Iwamori S., Miyashita T., Fukuda S., Nozaki S. Changes in the peeled surfaces of copper thin films deposited on polyimide substrates after heat treatment // Adhesion. – 1997. – V. 63. – P. 309-321.

3. Huang R., Im S.H. Dynamics of wrinkle growth and coarsening in stressed thin films // Phys. Rev. E. – 2006. – V. 74. – P. 026214-1–026214-12.

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

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ AuNi И AuCo А.О. Лязгин1, О.М. Кретова Научный руководитель: к.ф.-м.н. А.Р. Шугуров Томский политехнический университет, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 30, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Россия, г.Томск, пр. Академический 2/4, E-mail: lyazgin@list.ru RESEARCH OF WEAR RESISTANCE OF ELECTRODEPOSITED COATINGS AuNi AND AuCo A.O. Lyazgin,1 O.M. Kretova Scientific Supervisor: A.R. Shugurov, Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, Institute of Strength Physics and Material Science SB RAS, Russia, Tomsk, Akademicheskii av., 2/4, E-mail: lyazgin@list.ru Wear resistance of electrodeposited coatings has been investigated by optical, scanning electron and atomic force microscopy methods and also at tribological tests with the pin-on-disk tribometer UMT-1 under the dry friction. The comparison of the results obtained by given methods has allowed to study in details the regularities of wear process of electrodeposited coatings under the conditions of various mechanisms of wear process.

Долговременные параметры современных коаксиальных радиочастотных соединителей в значительной степени определяются составом и свойствами покрытий наружных и внутренних проводников [1]. В процессе эксплуатации соединители испытывают многократные циклы соединения рассоединения, поэтому помимо низкого и стабильного контактного сопротивления, высокой коррозионной и температурной стойкости, хорошей паяемости и др. важной характеристикой металлических покрытий является их высокая износостойкость.

В настоящее время в СВЧ электронике широко используются гальванические покрытия на основе сплавов AuNi и AuCo. Добавление никеля и кобальта способствует уменьшению среднего размера зерна, вследствие чего покрытие становится менее пористым [2]. Это позволяет повысить твердость и износостойкость данных покрытий по сравнению с чистым золотом, однако их трибологические свойства существенно зависят от структуры покрытия, материала и толщины промежуточного подслоя между покрытием и подложкой и др. Целью работы является исследование влияния химического состава на износостойкость и механизмы изнашивания гальванических покрытий AuCo и AuNi.

Методика эксперимента Гальванические покрытия AuNi и AuCo толщиной 0,8, 1,5 и 3 мкм получали методом электролитического осаждения на подложки из бериллиевой бронзы БрБ2. Перед нанесением покрытий на подложку электролитическим методом осаждали слои Ni или NiB толщиной 5 мкм. Испытания на износ проводили на машине трения УМТ-1 по схеме «палец-диск» при нагрузке 1,15 Н. Скорость вращения варьировали от 0,38 до 0,57 м/с. В качестве контртела использовали шарики диаметром 3 мм из РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

закаленной стали ШХ15. Поверхности трения покрытий изучали методами оптической, растровой электронной (РЭМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ). Для количественного анализа степени износа определяли среднеквадратичную шероховатость и фрактальную размерность АСМ-изображений поверхностей трения.

Результаты эксперимента Проведенные исследования показали, что на стадии приработки увеличение содержания легирующих элементов Ni и Co от 2 до 8 ат.% не влияет на интенсивность износа покрытий (рис. 1). В то же время на стадии установившегося изнашивания наблюдается уменьшение степени износа с ростом концентрации Ni и Co в покрытии. Изучение топографии поверхностей трения гальванических покрытий выявило, что уменьшение концентрации легирующих элементов приводит к изменению механизмов изнашивания на данной стадии. Так, у покрытий AuNi с содержанием никеля 8 ат.% на поверхности трения наблюдается регулярный бороздчатый рельеф с незначительными вкраплениями частиц износа, свидетельствующий об абразивном характере изнашивания путем микрорезания (рис. 2,а). Абразивными частицами служат продукты износа трущихся пар.

Снижение концентрации никеля до 5,5 ат.% приводит к появлению на фоне бороздчатого рельефа поверхности трения крупных частиц износа (рис. 2,б). Это указывает на то, что разрушение покрытия в процессе трибологических испытаний обусловлено также адгезионным взаимодействием между контактирующими телами.

При уменьшении содержания никеля в гальваническом покрытии до 2 ат.% характер Рис. 1. Зависимость ширины дорожек трения на поверхности гальванических покрытий АuNi изнашивания изменяется существенным образом.

(подслой NiB) с различным содержанием Ni (1 - 8;

2 Формируется слой переноса толщиной несколько 5,5;

3 - 2 ат.%) от длительности испытаний микрометров, неравномерно распределенный по поверхности износа (рис. 2,в). В этом случае механизм изнашивания заключается в переносе материала покрытия на контртело с последующим обратным переносом его на поверхность трения вместе с частицами контртела. Этому способствует повышенная вязкость сплава с высоким содержанием золота и его диффузионная активность, что обусловливает адгезионное схватывание, отслоение и отрыв фрагментов покрытия.

а б в Рис. 2. РЭМ-изображения дорожек трения на поверхности гальванических покрытий АuNi (подслой NiB) с различным содержанием Ni, ат.%: 1 - 8;

2 - 5,5;

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

а б Рис. 3. Зависимость ширины дорожек трения (d) и фрактальной размерности их поверхности (Df) от длительности испытаний. а – покрытие АuCo/Ni;

б - покрытие AuCo/NiB Таким образом, повышение износостойкости гальванических покрытий AuNi и AuCo при увеличении концентрации легирующих элементов связано с изменением механизмов их изнашивания. Известно, что Ni и Co сегрегируются в сплавах золота по границам зерен, поэтому увеличение их содержания в покрытии предотвращает вырывание частиц износа в процессе испытаний. В результате адгезионно абразивный механизм износа покрытий, имевший место при малых концентрациях Ni и Co, изменяется на чисто абразивный.

Определение среднеквадратичной шероховатости АСМ-изображений поверхностей трения гальванических покрытий не выявило корреляции данной характеристики со степенью износа. Кроме того обнаружена ее существенная зависимость от масштаба изображения. В свою очередь фрактальный анализ АСМ-изображений позволил количественно охарактеризовать рельеф поверхности износа покрытий на разных стадиях изнашивания. Как видно из рис. 3, на стадии приработки происходит уменьшение фрактальной размерности поверхности трения, обусловленное сглаживанием исходной шероховатости поверхности покрытий. В то же время формирование развитого рельефа на стадии установившегося износа обусловливает рост фрактальной размерности. Наблюдаемая зависимость сохраняется при изменении размеров анализируемых АСМ-изображений на порядок величины.

Заключение. Проведенные исследования показали, что на стадии приработки увеличение содержания Ni и Co в гальванических покрытиях AuNi и AuCo не влияет на интенсивность их износа. На стадии установившегося изнашивания происходит уменьшение степени износа с ростом концентрации легирующих элементов в покрытии. Повышение износостойкости гальванических покрытий связано с переходом от адгезионно-абразивного механизма износа покрытий, имевший место при малых концентрациях Ni и Co, к чисто абразивному. Фрактальный анализ АСМ-изображений поверхностей трения покрытий позволил получить меру для количественной оценки изменений их рельефа в процессе изнашивания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Джуринский К.Б. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ. – М.: Агентство «Издательский сервис», 2003. – 128 с.

2. Баранова А.П. Получение и применение электролитических сплавов на основе золота, палладия и олова. Обзоры по электронной технике. ЦНИИ «Электроника», 1981. – 34 с.

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

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНЫХ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ВЗРЫВНОГО ИСПАРЕНИЯ А.И. Мальчихина, Е.В. Шестериков Научный руководитель: доцент, к. ф.-м. н. С.И. Твердохлебов Томский политехнический университет, Россия, г.Томск,пр. Ленина, 30, E-mail: lava1@sibmail.com RESEARCH OF COMPOSITION OF CALCIUM-PHOSPHATE COATINGS OBTAINED BY FLASH EVAPORATION METHOD A.I. Malchikhina, E.V. Shesterikov Scientific Supervisor: associate prof., Ph.D. S.I. Tverdokhlebov Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, E-mail: lava1@sibmail.com There are many different methods of obtaining calcium-phosphate coatings on implants, all of these has its own advantages and disadvantages. For example the method of magnetron sputtering provides good mechanical characteristics of coatings, but has a low productivity. Flash evaporation method was proposed for obtaining biocoatings having productivity much higher than that of the magnetron sputtering method. Chemical composition of calcium-phosphate coatings obtaining by the flash evaporation method was studied by infrared spectroscopy, scanning electron microscopy with energy dispersive analysis in this work.

Одной из важных задач науки является разработка и модификация материалов, которые могут быть использованы в медицине. Поскольку медицинские имплантаты внедряются в организм, то они должны отвечать определенным требованиям. В организме не должно возникать негативных реакций на имплантат, напротив, он должен ускорять регенерацию тканей. Поэтому требуется создание биоактивной поверхности имплантата, которая бы имела хорошую адгезию, не деградировала в организме и обеспечивала прочность сцепления имплантата с костью. Наиболее подходящим материалом для создания покрытий имплантатов является гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2, так как он эквивалентен составу и структуре кости. Основными методами, используемыми для формирования биопокрытий, являются: электрохимическое осаждение [1], кристаллизация покрытий из различных растворов [1], плазменное напыление [2], метод лазерной абляции [1], МИП-метод [3], высокочастотное магнетронное распыление [4]. В данной работе для нанесения тонких кальций-фосфатных покрытий на имплантаты использовался метод взрывного испарения, и приведены исследования свойств полученных покрытий.

Сущность взрывного испарения состоит в том, что порошкообразный испаряемый материал сложного состава из вибробункерного устройства непрерывно подается на испаритель, предварительно нагретый до температуры, превышающей температуру испарения наиболее тугоплавкого компонента. В результате происходит мгновенное («взрывообразное») испарение порции материала.

Конструктивно устройства для взрывного испарения выполняются таким образом, чтобы подача частиц материала осуществлялась со скоростью, равной скорости его испарения. Тогда при РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

установившемся состоянии в пространстве над испарителем одновременно будут присутствовать в парообразной фазе все компоненты материала сложного состава в таком же соотношении, в каком они содержатся в исходном материале, и на поверхности конденсации может быть получена пленка заданного состава. При этом должна быть обеспечена равномерная подача порошка.

Близость испаряемого материала в питателе к высокотемпературной зоне испарителя обусловливает особые требования к конструкции устройства, которая должна предохранять порошкообразный материал от спекания. Конструкции устройств вакуумных установок для проведения взрывного испарения обычно состоят из двух основных функциональных частей бункера и подающего устройства [5].

В бункере помещают хорошо перемешанные частицы сложного вещества или отдельных компонентов, находящиеся в требуемом соотношении. Устройство подачи обеспечивает равномерный и непрерывный поток порошка, а вибрационные механизмы позволяют создавать дискретный поток порошка и предотвращают спекание материала. При выборе конструкции вибропитателей и механизмов подачи для получения тонких пленок сложных составов учитывают размеры частиц испаряемого материала, скорость подачи, скорость испарения составляющих компонентов материала и другие свойства. Применение метода взрывного испарения позволяет получать высококачественные резистивные пленки из металлосилицидных сплавов и керметов, диэлектрические пленки из различных стекол и других материалов, значительно увеличивает стойкость термических испарителей и повышает производительность установок вакуумного напыления.

Недостатком взрывного испарения является частичное загрязнение конденсата материалом резистивного испарителя.

Перед напылением покрытия образцы отмывались в ультразвуковой ванне, проходили пескоструйную обработку и химическую очистку, после чего часть образцов оксидировалась в плазме ВЧ магнетронного разряда на установке Рис. 1. Характерные ИК спектры пропускания гидроксиаптита, образец №199, «Плазма 600» 20 минут справа основные структурные группы ГА, слева группы О-Н.

10-1Па при вакууме и давлении кислорода 10 Па. Напыление кальций-фосфатных покрытий проводилось на установке УВН 450. Скорости нанесения кальций-фосфатных покрытий была до ~ 5 мкм/час. Методом взрывного испарения нанесены кальций-фосфатные покрытия как на плоские образцы различных металлов и керамик, так и на модели медицинских изделий.

Определение структуры покрытий производилось на «ИК-Фурье спектрометр Nicolet 5700». ИК спектры кальций-фосфатного покрытия представлены на рисунке 1 и характеризуются полосами поглощения основных структурных компонентов гидроксиапатита. Их массовая и молярная доля в процентах указаны в таблице 1. Кроме ИК-спектроскопии исследования покрытий проводились методом РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

сканирующей электронной микроскопии (рис. 2) и энергодисперсионного анализа (рис. 3) на сканирующем электронном микроскопе JSM-7500F (JECL, Нано-Центр ТПУ). Данный микроскоп позволяет разрешить различные фазы материала на глубине до 10 нм и на глубине до 100 нм, провести энергодисперсионный элементный анализ (EDS) с учетом ZAF-приближения. Из рисунка 2 и карты распределения элементов («mapping») видно, что покрытие однородное, а элементы распределяются равномерно. Покрытие полностью покрывает подложку. Энергодисперсионный анализ показал, что в покрытии содержатся основные элементы испаряемого вещества – гидроксиапатита: Са, Р, О.

Рис. 2. Изображение поверхности кальций Рис. 3. Энергодисперсионный анализ фосфатного покрытия, полученное сканирующей кальций-фосфатного покрытия электронной микроскопией..

Таблица 1.

Массовая и молярная доля элементов в покрытии Химическая формула Массовая доля, % Молярная доля, % O 79,51 88, P 14,99 8, Ca 5,5 2, Общее количество 100 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. V. Nelea, C. Morosanu, M. Iliescu, I. Mihailescu. Hydroxyapatite thin films grown by pulsed laser deposition and radio–frequency magnetron sputtering: comparative study, Applied Surface Science, 2004, pp.

346–356.

2. L. Sun, C. C. Berndt, K.A. Gross, A. Kucuk. Material Fundamentals and Clinical Performance of plasma sprayed hydroxyapatite coatings: A review, J. Biom. Mater. Res., 58, pp. 570–592, 2001.

3. E. van der Wahl, J.G.C. Wolke, J.A. Jansen, A.M. Vredenberg. Initial reactivity of rf magnetron sputtered calcium phosphate thin films in simulated body fluids, J. Applied Surface Science, 246, 2005, pp. 183–192.

4. G. Xu, I. Aksay and J. Groves. Continuous Crystalline Carbonate Apatite Thin films. A biomimetic Approach, J. Amer. Chem. Soc., pp. 2196–2203, 2001.

5. Готра З.Ю., Мушкарден Э.М., Смеркло Л.М. Технологические основы гибридных интегральных схем / Под.ред. Готры З.Ю. – Львов: Высшая школа, 1977. – 168 с.

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

КОМБИНИРОВАННАЯ ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ СИЛУМИНА, СОЧЕТАЮЩАЯ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ ТИТАНОМ И ПОСЛЕДУЮЩЕЕ ОБЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ Е.А. Маркова, Ю.Ф. Иванов Научный руководитель: профессор, доктор ф.-м.н. Ю.Ф. Иванов Институт сильноточной электроники СО РАН, Россия, г.Томск, пр. Академический 2/3, E-mail: elizmarkova@yahoo.com THE COMBINE TREARMENT OF SURFACE LAYER OF SILUMIN INCLUDING TO ELECTROEXPLOSIVE TITANIUM ALLOING FOLLOWED BY HIGH-INTENSITY ELECTRON BEAM E.A. Markova, Y.F. Ivanov Scientific Supervisor: prof., Dr. Yu.F. Ivanov High current electronic institute SB RAS, Russia, Tomsk, Academicheski str., 2/3, E-mail: elizmarkova@yahoo.com Examination of structure and properties of silumin subjected to combined treatment has been carried out in the present work. It has been established that electroexplosive titanium alloying followed by electron-beam treatment lead to modification of the surface layer of 70m thick.

В процессе эксплуатации разрушение деталей происходит в результате усталостного, абразивного, адгезионного износа и эрозии[1]. Как правило, наиболее сильному воздействию подвергается поверхностный слой деталей. Поэтому актуальной является задача повышения прочностных характеристик этого слоя[2]. Существуют различные методы обработки поверхности изделий. Одним из них является комбинированная обработка, включающая в себя электровзрывное легирование и последующее облучение электронным пучком.

Целью настоящей работы является исследование структуры и свойств поверхностного слоя образцов промышленного антифрикционного алюминиевого сплава (силумина), подвергнутого электровзрывному легированию титаном и последующей электронно-пучковой обработке.

Объектом исследований являлся эвтектический сплав на основе алюминия (силумин) следующего состава: 12.49 % Si, 2.36 % Mg, 0.6 % Cu, 0.35 % Ni, 0.3 % Fe, ост. Al, (в вес.%). Образцы в виде цилиндров диаметром 10 мм и толщиной 5 мм сначала модифицировали методом электровзрывного легирования (ЭВЛ), в котором инструментом воздействия на поверхность являются импульсные плазменные струи, формируемые при разряде емкостных накопителей энергии через проводник. Рабочее вещество ускорителя плазмы служит как для нагрева поверхностного слоя металла, так и для его легирования. Параметры электровзрывной обработки: время воздействия ~100 мкс, поглощаемая плотность мощности на оси струи ~7,6 ГВт/м2, давление в ударно-сжатом слое вблизи поверхности ~17, МПа, толщина взрываемой фольги титана ~20 мкм. На втором этапе модификации поверхность электровзрывного легирования силумина подвергали обработке высокоинтенсивным импульсным РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

электронным пучком на установке «SOLO». Параметры электронно-пучковой обработки: длительность импульса воздействия пучка электронов = 150 мкс, число и частота следования импульсов облучения N = 5 имп. и f = 0,3 Гц, плотность энергии пучка электронов ES = 15, 20, 25 и 30 Дж/см2. Облучение проводили в среде аргона.

Исследования структурно-фазового состояния модифицированного слоя осуществляли методами оптической, сканирующей и дифракционной электронной микроскопии;

рентгеноструктурного анализа;

механические характеристики поверхностного слоя анализировали путем определения микротвердости.

После ЭВЛ методами оптической и сканирующей электронной микроскопии выявлено формирование высокорельефного поверхностного слоя. Электронно-микроскопическое изображение структуры поверхности ЭВЛ силумина представлено на рис. 1,а. Формирующаяся поверхность характеризуется повышенной шероховатостью, содержит микрокапли и микротрещины. На поперечном сечении образца выявляется модифицированный слой толщиной ~ 70 мкм.

а б Рис. 1. Структура поверхности (а) и поперечного шлифа (б) образца силумина после ЭВЛ титаном. Сканирующая микроскопия.

Используя микроанализатор EDAX ECON IV, являющийся приставкой сканирующего электронного микроскопа Philips SEM 515, выполнен анализ элементного состава поверхностного слоя и выявлено легирование силумина титаном на глубину 30…40 мкм (рис. 2).

Ti K а Ti Al K Al C, вес.% Ti K Si Si K 1 2 номер точки анализа Рис. 2. Энергетический спектр (а) и элементный состав силумина в точках, указанных на рис. 1, б.

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

Обработка поверхности электровзрывного легирования силумина импульсным электронным пучком при различной плотности энергии пучка электронов выявлено существенное снижение степени шероховатости поверхности модифицирования, увеличение толщины легированного слоя.

Исследования фазового состава поверхностного слоя силумина, подвергнутого комплексной обработке (ЭВЛ (Ti) + электронно-пучковое облучение), осуществляли рентгеноструктурным методом. Анализ полученных результатов дал основание заключить, что использованная в настоящей работе комплексная обработка сопровождается формированием в поверхностном слое силумина многофазной структуры, сформированной следующими основными фазами: Al, Si, TiAl3, TiAl, Ti5Si4, Al3Mg2, Al2Mg, Ti5Si4Al.

Очевидно, что формирование многофазной структуры субмикронного диапазона должно было отразиться на свойствах поверхностного слоя силумина. Исследование механических свойств поверхности легирования силумина титаном осуществляли путем определения микротвердости. При оптимальном режиме обработки (Es = 15 Дж/см2, N =5 имп.) выявлено превышение микротвердости относительно исходного образца силумина в ~ 2 раза. Показано, что с увеличением плотности энергии пучка электронов микротвердость поверхности обработки снижается (рис. 3).

HV, МПа 10 15 20 25 30 ES, Дж/см Рис. 1. Зависимость микротвердости поверхности силумина, подвергнутого ЭВЛ титаном и последующей электронно-пучковой обработке, от плотности энергии пучка электронов.

Заключение Установлено, что комбинированная обработка поверхности образцов силумина, сочетающая электровзрывное легирование титаном и облучение высокоинтенсивными электронными пучками субмиллисекундной длительности воздействия на установке «SOLO» приводит к формированию многофазной структуры субмикро- и наноразмерного диапазона, которая влияет на механические свойства модифицированного слоя. Выявлено увеличение микротвердости поверхностного слоя образцов (по отношению к исходному) в ~ 2 раза при оптимальном режиме облучения (15 Дж/см 2;

150 мкс;

5 имп.;

0,3 Гц).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Белов Н. А. Фазовый состав и структура силуминов. – М.: МИСИС, 2008. – 282 с.

2. Михеев Р.С., Чернышова Т.А. Обработка поверхности пластин силумина высококонцентрированным источником энергии // Металлы. – 2009. – № 6. – С. 53–59.

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

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ НАГРЕВ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ С.М.Мартемьянов, А.А.Солдатов, А.Л.Маслов Научный руководитель: профессор, д.ф.-м.н. В.В.Лопатин Томский политехнический университет, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 30, E-mail: sergmartemyanov@mail.ru HIGH FREQUENCY HEATING OF SHALE S.M.Martemyanov, A.A.Soldatov, A.L.Maslov Scientific Supervisor: Prof., Dr. V.V.Lopatin Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, E-mail: sergmartemyanov@mail.ru The article is dedicated to investigation of the dielectric properties of oil shale. Investigations for samples prepared from shale mined at the deposit in Jilin Province in China were done. The temperature and frequency dependences of rock characteristics needed to calculate the processes of their thermal processing are investigated. Frequency dependences for the relative dielectric constant and dissipation factor of rock in the frequency range from 0,1 Hz to 1 MHz are investigated. The temperature dependences for rock resistance, dielectric capacitivity and dissipation factor in the temperature range from 20 to 500°C are studied.

Основную часть мирового энергетического баланса в настоящее время составляют нефть и природный газ. Однако в связи с истощением их мировых запасов все более актуальной становится проблема поиска альтернативных способов получения энергоносителей. Пока эта проблема не обрела идеального решения, но поиски и сравнения претендентов продолжаются непрерывно.

Твердые горючие ископаемые – каменный уголь и горючие сланцы – могут обеспечить планету энергией еще многие столетия. Но, к сожалению, твердое топливо малопригодно для широкого применения. Решение этой проблемы предлагают активно развивающиеся в настоящее время методы переработки твердых горючих ископаемых, основанных на нагреве пород. Особенно это актуально для горючих сланцев, так как они в большинстве случаев не пригодны к использованию другим способом из за высокой зольности и низкой теплоты сгорания.

Нагрев осуществляют различными способами. Один из вариантов заключается в пропускании через породу высокочастотного переменного электрического тока. Разогрев породы при этом происходит за счет возникающих диэлектрических и резистивных потерь.

При таком способе нагрева мощность потерь, выделяемая в межэлектродном пространстве, определяется по формуле:

P(t, T, f ) (T, f ) Eср (T, f ) kEср (T, f )S 2 f 0 (T, f )tg (T, f ) 2 – удельная проводимость породы, Ом·м;

Eср – напряженность поля, В/м;

k – численный коэффициент;

– относительная диэлектрическая проницаемость среды;

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

0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, 8.85·10 -12 Ф/м;

f – частота, Гц;

tg – тангенс угла диэлектрических потерь;

S – расстояние между электродами, м.

T – температура;

t – время.

Численный коэффициент k зависит от геометрических параметров электродной системы и определяет С k 0.

электрическую емкость между электродами:

Выделяемая мощность в соответствии с формулой состоит из двух слагаемых. Резистивные потери (первое слагаемое) определяются удельным сопротивлением твердого топлива и напряженности поля, создаваемого источником электроэнергии. Диэлектрические потери (второе слагаемое) зависят от диэлектрических свойств породы и электрической емкости межэлектродного пространства. Поскольку сопротивление горючих сланцев велико (~1010Ом·см при температуре 20°С), целесообразно производить нагрев в основном за счет диэлектрических потерь, максимизируя второе слагаемое за счет подбора оптимальной частоты.

Для проектирования технологии и устройств нагрева, а также определения выходных параметров процесса переработки необходимо знать диэлектрические свойства среды, а именно зависимость относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь от частоты протекающего тока.

Также необходимо знать зависимость описанных характеристик от температуры. Выполненные в связи с этим исследования описаны ниже. В качестве объекта исследования использовались горючие сланцы, добываемые в Китайской народной республике на месторождении провинции Цзилинь.

Исследования диэлектрических свойств выполнены на высокотемпературной ячейке установки «Пирон» в лаборатории Института физики высоких технологий [1]. Измерения диэлектрических параметров производились с помощью измерителя иммитанса Е7-20, изготовленного ОАО «МНИПИ», г.Минск [2]. Результаты температурно-частотных исследований диэлектрических свойств показаны на рис.1 и рис.2.

Рис.1 Температурно-частотная зависимость тангенса угла потерь РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

Рис.2 Температурно-частотная зависимость относительной диэлектрической проницаемости На основании тепловых и электрофизических параметров горючих сланцев ведется моделирование процесса нагрева и расчет температурного поля. Предварительные данные, полученные на двумерной модели, показаны на рис.3.

Рис.3 Модель температурного поля На рисунке показано распределение температурного поля в плоскости в сплошной среде горючих сланцев. Источником поля являются два точечных электрода. По температурной шкале показаны условные данные, так как для расчета абсолютных значений необходимы неизвестные пока тепловые параметры породы. В дальнейшем предполагается составить трехмерную модель, учитывающую все необходимые параметры, а также их зависимость от температуры.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Установка для электрофизических исследований диэлектриков/ О.И.Бужинский, В.А.Бутенко, 1.

С.И.Крысанов и др.// Приборы и техника эксперимента. – 1981. – №3. – С.236-238.

Е7-20. Измеритель иммитанса. Руководство по эксплуатации. 411218.012 РЭ, ОАО «МНИПИ», 2.

Минск, 2010г.

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

ВЛИЯНИЕ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНАМИ АЛЮМИНИЯ НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ТИТАНА Д.О. Мартынова1, А.И. Смирнов2, К.П. Савкин Научный руководитель: доцент, к.х.н. И.А.Курзина Томский государственный университет, Россия, г.Томск, пр. Ленина Новосибирский государственный технический университет, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса Институт сильноточной электроники СО РАН, Россия, Томск, пр. Академический 2/ Томский политехнический университет, Россия, г.Томск, пр.Ленина E-mail: Dashyctrik@sibmail.com INFLUNCE OF THE IMPLANATATION OF ALUMINIUM IONS ON THE STRUCTURAL STATE AND PHASE COMPOSITION OF THE SUBMICRICRYSTALLINE TITANIUM D.O.Martynova1, A.I. Smirnov2, K.P. Savkin Scientific Supervisor: Associate professor., PhD I.A.Kurzina Tomsk State University, Russia, Tomsk, 36 Lenin pr.

Novosibirsk state technical university, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa pr.

Institute of high current electronics SB RAS, Russia, Tomsk, 2/3 Akademicheski pr.

Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, 30 Lenin pr.

E-mail: Dashyctrik@sibmail.com Titanium and it’s alloys are widely used as construction materials in different fields of modern industry.

To search for heightening of physicochemical properties of titanium and it’s alloys surface, particularly using ion implantation, is very perspective. The most interesting is the modification of titanium surface layers by aluminum in ion irradiation conditions, because of phases, based on titanium and aluminum, are possessed of high mechanical strength, hardness, wear and corrosion resistance. The aim of the paper is to present the investigation results of the Al ion implantation effect on the structural and phased states of titanium depending on its structural state.

Методы обработки металлов и сплавов пучками металлических ионов в настоящее время представляют значительный интерес с точки зрения синтеза новых наноразмерных интерметаллидов в поверхностных слоях. Разработанные на сегодняшний день модели и механизмы поверхностной модификации в условиях ионной имплантации обоснованы экспериментально на крупнокристаллических материалах. Однако, уменьшение размера зерна и, соответственно, увеличение плотности межзеренных границ и тройных стыков может приводить к резкому ускорению диффузионных процессов, легирования, перемешивания, образования вторичных фаз и дефектов, а также появлению новых, в том числе недиаграммных фаз. Ионной имплантацией возможно не только провести стабилизацию предварительно созданной в металлической мишени субмикроструктуры, но и осуществить синтез нанокристаллических фаз в поверхностных слоях облучаемых материалов. Большой интерес представляет ионный синтез различных фаз, формирующихся в поверхностных слоях материалов на основе Ti и Al. Формирование наночастиц интерметаллидных фаз в структуре титанового РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

сплава в условиях ионной имплантации приведет к значительному упрочнению этого материала, которое будет обусловлено как дисперсным и твердорастворным упрочнением, так и возникновением внутренних полей напряжений. Это позволит использовать данные материалы в качестве альтернативы крупнокристаллических титановых сплавов медицинского и технического назначения, применяемых в настоящее время.

Целью данной работы являлось исследование эволюции структурно-фазового состояния, параметров дислокационной субструктуры и зеренной структуры титана после воздействия ионами алюминия в зависимости от структурного состояния мишени.

В качестве объектов (мишеней) для имплантации был использован титан субмикрокристаллическом состоянии. Для получения субмикрокристаллической структуры технически чистый титан ВТ 1- использован метод многократного одноосного прессования со сменой оси деформации в сочетании с прокаткой [1]. После прокатки прутки и пластины подвергались дорекристаллизационным отжигам при температуре 300 0С в течение часа для выравнивания напряжений и закрепления границ зрен. Такой отжиг позволяет сформировать материал со средним размером структурных элементов 0,2 мкм (рис. 1 а).

Дополнительный отжиг при 350 0С и 450 0С приводит к увеличению среднего размера зерна титан, но в области субмикрокристаллического состояния. Средний размер структурных элементов после отжига составил 0,3 и 0,5 мкм (рис. 1 б, в).

Рис. 1. ПЭМ изображения образцов титана после прессования и отжига при температурах 300 0С (а), 350 0С (б) и 450 0С(в) Ионное облучение проводили пучком, генерируемым ионным источником на основе вакуумного дугового разряда Mevva-5.Ru с алюминиевым катодом с экспозиционной дозой 110 18 ион/см2 при ускоряющем напряжении 50 кВ. Время облучения составляло 5,25 ч, плотность тока равнялась 6, мА/см2, температура образцов в процессе ионной обработки не превышала 400 0С. Средний заряд ионов алюминия составлял величину 1,75, а доля содержания ионов алюминия в общем потоке частиц составляла не менее 85 %.

Согласно данным ОЖЭ электронной спектроскопии в имплантированном слое титана Ti0, максимальная концентрация внедренной примеси алюминия составляет ~30 ат %, при этом толщина всего имплантированного слоя не превышает ~600 нм. Методом ПЭМ установлено, что в имплантированном слое присутствуют зерна -Ti, по границам которых находятся пластинчатые выделения Ti3Al (средний размер – 25х70 нм) и равноосные частицы Al3Ti (средний размер – 100 нм).

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

Внутри зерен титана на дислокациях наблюдаются наноразмерные выделения оксидов и карбидов.

Обнаружено также формирование вторичных фаз во всех AlTi3, AlTi, Al3Ti, Ti9Al имплантированных материалах. Формирование вторичных фаз наблюдается преимущественно по границам зерен титановой матрицы. На рис.2 и представлены ПЭМ изображения титана (dср=0, мкм и dср=0,5 мкм), имплантированного алюминием. Наблюдается, фрагменты титановой структуры, в которых после ионной имплантации сформировались отдельные вторичные фазы. На рис.2.(в) представлено темнопольное ПЭМ изображение фазы Ti9Al23.

Таким образом, исследован фазовый состав ионно-легированных слоев титановых образцов с Рис.2. ПЭМ изображения титана различным размером зерна (0,3 мкм, 0,5 мкм).

(dср=0,3 мкм), имплантированного Al:

Установлено, что основой ионно- (а) – светлопольное изображение;

(б) – микродифракция с данного участка;

модифицированных слоев являются зерна - Ti. темнопольные изображения в рефлексе 1 (в) и рефлексе 2 (г).

Основой вторичных фаз являются алюминиды титана. Введение алюминия приводит к стабилизации титановой матрицы и способствует формированию алюминидов на границах зерен титана. Установлено, что размер формируемых прослоек алюминидов зависит от исходного зерна титановой матрицы. Чем меньше размер зерна титановой мишени, тем меньше толщина прослоек алюминидов по границам зерен. Предположено, что формирование вторичных фаз AlTi3, AlTi, Al3Ti, Ti9Al23 в результате ионной имплантации образцов титана алюминием может Рис.3. ПЭМ изображения титана (dср=0,5 мкм), имплантированного алюминием способствовать к увеличению механических свойств материала.

Работа выполнялась при финансовой поддержке гранта РФФИ 10-02-01012_а СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Курзина И.А., Божко И.А., Ерошенко А.Ю., Калашников М.П., Шаркеев Ю.П. Эволюция структуры и механических свойств ультрамелкозернистого титана // Материаловедение, 2010. №5. С.48-54.

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

STUDY OF BORON-BASED MATERIALS FOR NUCLEAR APPLICATION Markhabaeva AA.

Scientific Supervisor: D.G. Demyanyuk, Associate Professor Language Adviser: Tamara G. Petrashova, Associate Professor, PhD Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, Email: aiko_marx@mail.ru ИССЛЕДОВАНИЕ БОРОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ЯДЕРНОЙ ИНДУСТРИИ Мархабаева А. А.

Научный руководитель: Д.Г Демянюк Томский Политехнический университет, Россия, г.Томск, пр.Ленина Email: aiko_marx@mail.ru В работе исследованы фазовый состав и структура карбида бора, которые были получены методом СВС при температуре 1000-20000С. В структуре материалов, полученных при различных условиях, помимо основных фаз должны присутствовать и другие, образующиеся на основе исходных компонентов, участвующих в реакциях. Тем более, что большинство взаимодействий носит стадийный характер и напрямую зависит от температуры процесса, которая вследствие быстроты прохождения волны горения имеет немонотонное распределение по объему образца. В этой ситуации большой интерес представляет изучение фазового состава. С помощью энерго-дисперсионного анализа было установлено, что образцы кроме основного состоят из нескольких элементов такие как Mg, Al, La, Fe, Ni. Некоторые элементы появлялись в процессе горения, некоторые были специально добавлены (Ni, Al) для улучшения механических свойств. Для определение структурных изменений образцы были облучены электронами при разных дозах (10, 20Мрад) на ЭЛУ-4. Были сделаны предположения РФА, что облучение значительно не изменила структуры образцов. Это говорит о том, что бор содержащие материалы радиационно-стойки, что позволяет использовать их как конструкционный и защитный материал для ядерных реакторов.

INTRODUCTION One of the basic requirements associated with development and operation of a nuclear reactor is the control and containment of neutrons produced during the fission reaction. Boron is one of the elements possessing nuclear properties, and it is considered as a neutron absorber material. Boron and its compounds with metals find extensive applications in the nuclear industry as neutron sensors, nuclear/neutron poison, control/shutoff rods, and in nuclear material storage due to their high neutron absorption cross section. Boron has two principal isotopes, 10B and 11B and the effectiveness of boron as a neutron absorber is due to the high absorption cross sections. The neutron absorption property of boron carbide relies on the presence of B10 isotope, which undergoes the main capture reaction:

+ 0n1 2He4 + 3Li7 + 2, 4 MeV 5B The absorption cross section of this reaction is 3850 barns for thermal neutrons, which makes it an excellent РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

candidate for thermal reactors. At higher energies, the cross section of most other elements becomes very small, whereas that of B10 decreases monotonically with energy. Absolute values along the entire energy spectrum are also of sufficient magnitudes to make it very effective in the intermediate and fast energy range. [1] However, boron has some disadvantages: 1) Under radiation boron is exposed to so-called «gas swelling», because in crystal lattice accumulate atoms of gas, which are products of nuclear reactors. Accumulated helium deforms in crystal lattice and then destroys it. 2) The lifetime of boron carbide never reaches the theoretical limit fixed by boron exhaustion. The damage of material caused by the large quantity of helium and lithium formed by neutron absorption B(n,), Li. Therefore, under the temperature effect, one fraction of the helium formed diffuses outside the material while the other accumulates therein, causing swelling and micro-fracturing of the material. Nevertheless, boron containing materials are quit perspective to be used in the nuclear industry[2].

EXPERIMENT AND ANALYSIS Boron containing material was obtained by self-propagating high-temperature synthesis in TPU at the department of physical technical institude. The great advantage of producing ceramic materials by the SVS method is that it is not necessary to use long processing times in high temperature furnaces. To make B 4C, for example, powders of B and С are mixed and press-formed into a pellet and placed in a simple, cylindrical reaction vessel, or reactor, made of stainless steel. The pellet is ignited on one end by an electrically heated coil of wire, which provides the heat impulse to initiate the chemical reaction between the B and С in the heated surface layer. The reaction forms a combustion wave, or synthesis wave, that rapidly spreads along the axis of the cylindrical sample forming B4C. The reaction continues spontaneously and is caused by the high heat released by the combustion process. Various reactor modifications can be used to achieve high or low pressure, constant pressure, and/or cryogenic temperature operation. High pressures, for example, can be obtained in cryogenic reactors from the evaporation of liquid N2. [3] Experiments on the production of ceramic materials based on boron carbide have shown that SHS flow is largely determined by the conditions of preparation and holding the synthesis process. The structure of materials obtained at different conditions, besides the main phase must present others elements, formed on the basis of the initial components involved in the reactions. To determine the phase composition obtained materials was carried out EDX analysis. The results of EDX of samples are presented in fig. 1. As can been seen in fig. 1 the structure of the obtained material is multiphase. In addition to, components formed during reactions in boron added impurities, which improve its properties. Also, additives must satisfy requirements, the main ones are: limited and determined the elemental composition, which should not have a significant effect on the nuclear physical properties of the final product.

Samples were irradiated at doses of 10Mrad, 20Mrad and after radiation were taken XRD patterns. XRD patterns showed the peaks representing B4C phase peaks and any additions (Al, Ti, and Ni). Also found that irradiation did not significantly change the structures of samples. It means that materials on based boron more stability irradiation. It means impurities did not worse nuclear physical properties of boron. System Ni-Al satisfies all requirements and is characterized by low melting point at a relatively large thermal effect of combustion reaction. This system does not introduce significant disturbances in neutron-physical parameters of the reactors. Data analyses showed that introduction of Ni-Al (20%) additive increase strength limit. However, most content additives decreases the strength limit.

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

Fig.1. Energy dispersive X-ray analysis of B4C Microstructure of sintered boron carbide samples are presented in Fig.2 (a-b). Fig.2a presents the sample sintered at 20000C with a particles size of 10µm. The introduction additive leads to formation coarse-grained structure.

a) b) Fig.2. Microstructure of the sample (a) 5(µm) C and (b) 10(µm) sintered 2000 CONCLUSION XRD patterns of samples were made before and after radiation at different doses. Radiation at different doses did not change the structures of boron-based materials. It means boron-based materials are radiation resistance.

This development confirms using materials in nuclear industry as control rods.

Phase compounds of samples were obtained by EDX analysis. EDX analysis shows the presence of additives, which were introduce to improve mechanical and physical properties. Moreover in structure boron carbide were found other impurities, to forme on the basis of the initial components involved in the reactions. Introduced additives as Ni, Al, Ni did not effect on neutron-physical parameters of boron-based materials.

REFRENCES 1. T.K. Roy, C. Subramanian. Pressureless sintering of boron carbide. Ceram.int. 2006, 32, 227- 2. A.K. Suri, Subramanian, J. K. Sonder. Synthesis and consolidation of boron carbide International.

Materials review, 2010,55,4- 3. Joey F. Crider. Self-propagating high temperature synthesis a soviet method for producing ceramic materials. U.S. Army Foreign Science and Technology Center.

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

ИЗУЧЕНИЕ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПЛАСТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ ПРИ ОДНООСНОМ СЖАТИИ 111 МОНОКРИСТАЛЛОВ СТАЛИ ГАДФИЛЬДА Е.В. Мельников1,2, Г.Г. Захарова2, М.С. Тукеева Научный руководитель: доцент, к.ф.-м.н. Е.Г. Астафурова Томский политехнический университет, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30, Институт физики прочности и материаловедение СО РАН, Россия, г. Томск, пр. Академический, 2/4, E-mail: melnickow-jenya@yandex.ru A STUDY OF STRAIN LOCALIZATION IN 111 SINGLE CRYSTALS OF HADFIELD STEEL UNDER UNIAXIAL COMPRESSION E.V. Melnikov1,2, G.G. Zakharova2, M.S. Tukeeva Scientific supervisor: assistant professor, PhD E.G. Astafurova Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Russia, Tomsk, Akademichesky prospect 2/4, E-mail: melnickow-jenya@yandex.ru Using 111 single crystals of Hadfield steel Fe-13Mn-(1.0-1.3)C (wt. %), the deformation mechanisms and traces of plastic flow on specimen surfaces were investigated under uniaxial compression at room temperature. From the beginning of plastic flow, a nucleation and evolution of localized shear bands were detected. Shear banding is closely related to the structural anisotropy of pre-existing deformation mechanism. Formation of shear bands is strongly assisted by multiple slip, whereas, twinning or single slip will suppress them.

Введение В 1882г. Роберт Гадфильд открыл уникальную по своим свойствам сталь, которая используется в разных отраслях промышленности: угольной, нефтяной, горной и др. Столь широкое применение стали Гадфильда обусловлено рядом е ценных качеств: высокая износоустойчивость при трении с давлением и ударами, высокая вязкость и пластичность, склонность к упрочнению при деформации. Свойства стали Гадфильда широко изучались на поликристаллах [1-3]. В закалнном состоянии, они характеризуются низкой энергией дефекта упаковки ду 0,023 Дж м 2, склонностью к деформации двойникованием в широком интервале температур, высокой скоростью упрочнения. Существует, три основных подхода к описанию упрочнения этой стали. Первый связан с мартенситными, превращениями, другой с динамическим деформационным старением, третий с механическим двойникованием. Кроме того, деформация поликристаллов осложнена присутствием границ зерен, исходной структурой и ее эволюцией в процессе пластического течения. Однако исследование монокристаллов позволяет изучить анизотропию механических свойств и механизмов деформации материала.

В данной работе представлены экспериментальные данные об исследовании механизма деформации и эволюции пластического течения на поверхности образцов при сжатии 111 монокристаллов аустенитной стали Гадфильда Fe-13Mn-(1.0-1.3)C (мас. %) при комнатной температуре.

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

Материалы и методы исследования Образцы для механических испытаний в форме параллелепипедов с размерами 336 мм3 вырезали из монокристаллических заготовок. После травления и механической шлифовки образцы электролитически полировали в растворе 25 мл Cr2O3 + 210 мл H3PO4. Механические свойства изучали на электромеханической установке 3369 при комнатной температуре со скоростью INSTRON 4 10 4 1.. Металлографические наблюдения эволюции линий скольжения поверхности деформируемых образцов проводили на оптическом микроскопе OLYMPUS GX71. Для обнаружения следов двойников на поверхности деформированного кристалла использовали опыты с переполировкой и травлением. Дислокационную структуру исследовали на электронном микроскопе Philips CM 30.

Изображения поверхности, для метода корреляции цифровых изображений, получали с помощью микроскопа Axiovert 25CA с камерой высокого разрешения Infinity 1M (12801024 пикселей). Затем производили механическое воздействие на материал (образец) и снова выполняли съемку его поверхности в той же области. Процесс повторяли несколько раз. Поле векторов смещений (векторное поле) получали при обработке оптических изображений с помощью компьютерной программы.

Результаты исследования Металлографические (рис. 1 а, в) и электронно-микроскопические (рис. 1 б) исследования монокристаллов показали, что с предела текучести деформация развивается скольжением в нескольких системах одновременно (рис. 1 б) и на данной стадии образуются полосы локализованной деформации (ПЛД) (рис. 1 а). Они делят весь объем кристалла на деформированные и недеформированные области.

Опыты с переполировкой и травлением поверхности образца (рис. 1 в) подтвердили тот факт, что полосы не имеют четкой кристаллографической ориентации и, следовательно, являются макроскопическими ПЛД. Деформация сосредоточена в полосах и происходит как скольжением, так и двойникованием.

Образование полос локализации деформации сопровождается срывами нагрузки на кривых течения. При деформировании при 15% пластическое течение становится устойчивым, по сравнению со стадией образования полос сдвига и происходит во всем объеме материала.

Рис. 1. Металлографическая картина поверхности - а ( 3,5% ) и структура стали Гадфильда б, в ( 5% ) при сжатии;

б - граница макрополосы и линии скольжения;

в - изображение после переполировки и травления.

Используя метод корреляции цифровых изображений [4, 5] для 111 монокристаллов стали Гадфильда, были построены зависимости деформаций xx (x) (рис. 2 а) в направлении приложенной силы и yy (y, x=const) (рис. 2 б) в поперечных сечениях, на разном расстоянии от края образца.

Из рисунка 2 а видно, что деформация вдоль оси сжатия протекает неоднородно. Сдвиг координат РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

полосы локализованной пластической деформации связан с ее наклоном, а отрицательные значения продольной компоненты тензора соответствуют условиям нагружения одноосное сжатие.

Из рисунка 2 б видно, что деформация протекает равномерно, за исключением случая, когда сечение пересекает ПЛД, где значения деформации приблизительно на порядок выше. Амплитуда поперечной деформации соответствует деформации продольной, но отличается знаком.

Рис. 2. Пространственные распределения продольной деформации xx (x) и поперечной yy (x) (б) при сжатии монокристалла стали Гадфильда ( 2,3%, 0,6% ) на разном расстоянии от края образца.

Заключение Проведенные на монокристаллах аустенитной стали Гадфильда Fe-13Mn-(1.0-1.3)C (мас. %) 111 ориентации исследования механизма деформации при одноосном сжатии показали, что деформация 111 монокристаллов имеет неоднородный характер и сопровождается формированием и развитием полос локализованной пластической деформации. Множественное скольжение с предела текучести способствует образованию полос локализованной деформации, а механическое двойникование подавляет их развитие.

Авторы работы выражают благодарность профессору Ю.И. Чумлякову за полезные дискуссии и к.т.н. В.В. Кибиткину за консультации и помощь в организации эксперимента с использованием метода корреляции цифровых изображений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Штремель М.А. Прочность сплавов. – М.: МИСИС, 1997. – Ч. 1, 2. 527 c.

2. Dastur Y.N., Leslie W.C. Mechanism of work hardening Hadfield manganese steel // Met. Tans. A. – 1981.

– V.12A. – pp.749759.

3. Raghavan K.S., Sastri A.S., Marcinkowski M.J. // Trans. of the Met. – 1969. – V.245. – P.1569–1575.

4. Peters W.H., Ranson W.F. Digital imaging technique in experimental stress analysis. Optical Engineering, 1982, v. 21, p. 427 431.

5. Sutton M.A., Wolters W.J., Peters W.H., Ranson W.F., McNeil S.R. Determination of displacements using an improved digital image correlation method. Image Vision Computing, 1983, v. 1, N 3, p. 133 139.

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

PHYSIKALISCH - MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN BIOTOLERANTER SCHICHTEN AUF BASIS VON TITANDIOXID, ERHALTEN MITTELS MAGNETRONZERSTUBUNG N. S. Morozowa Wissenschaftlicher Betreuer: Prof. Dr. V. F. Pichugin Sprachberater: О.M. Ovchinnikova Polytechnische Universitt Tomsk, Leninstrae, 30, 634050 Tomsk, Russland E-mail: morozova_n_s@mail.ru ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕМОСОВМЕСТИМЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ TIO2 И TI-O-N, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ РЕАКТИВНОГО РАСПЫЛЕНИЯ Н.С.Морозова Научный руководитель: д.ф.-м.н., зав. каф. ТиЭФ В.Ф. Пичугин Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, E-mail: morozova_n_s@mail.ru Механические свойства пленок оксида и оксинитрида титана, сформированных методом среднечастотного магнетронного напыления, исследовались методом динамического наноиндентирования. Определены нанотвердость, модуль Юнга, шероховатость, толщина, контактная угол смачивания и поверхностная энергия. Рентгенофазовый анализ показывает аморфно – кристаллическую (анатаз (69.8%), рутил (8.1%)) структуру покрытия. Средний размер зерна составляет величину 13.83 нм. Достаточно высокое значение модуля Юнга свидетельствует о высокой механической прочности и хороших упругих свойствах осажденных покрытий. Отсутствие трещин, сколов благоприятно сказывается на механических свойствах пленки. Значения контактного угла смачивания означают, что покрытия гидрофобные независимо от толщины покрытия. Но при этом, прослеживается зависимость значения поверхностной энергии от толщины покрытия, с увеличением толщины растет поверхностная энергия.

Das Problem der Biovereinbarkeit von medizinischen Implantaten ist eines der aktuellsten Probleme der medizinischen Werkstoffkunde. Etwa 10 % der Patienten mit Herz-Kreislauferkrankungen leiden im ersten Jahr nach der Implantation an Restenose in Stenten (РВС), in einigen Fllen, wie die Untersuchung zeigt, an Thrombose. Die TiO2 und Ti-O-N - Schichten fr Koronarstenten haben groe Perspektiven.

In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse der Forschung zur Morphologie, die Messung des Kontaktwinkels, die Berechnung der Oberflchenenergie und die mechanischen Eigenschaften von TiO2 und Ti O-N – Schichten vorgestellt, die mit dem Verfahren des reaktiven Magnetronzerstubens [1] synthetisiert wurden. Das Zerstuben wurde bei einem Druck von 0.1-0.5 Pa in reinem Sauerstoff und einem Gemisch aus Sauerstoff und Stickstoff durchgefhrt. Als Unterlage fr das Auftragen der Schichten wurde der rostfreie Stahl fr medizinische Zwecke 12Х18Н10Т verwendet. Die Morphologie der Oberflche wurde mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops analysiert. Die Nanohrte wurde durch Kratzen gemessen und das Joung Modul nach der Methode der Belastungskurven auf dem Gert NanoScan bei der Belastung 3 und 5 mN [3]. Die Dicke wurde РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

mittels der massenspektrometrischen Methode gemessen. Die Phasenzusammensetzung der Schichten wurde durch Rntgenbeugung bestimmt (XRD). XPD wurde mit der Rntgenpulverdiffraktogramme an einem Diffraktometer Siemens D 500 mit Cu K-Strahlung = 1.541 nm durchgefhrt. Der Kontaktwinkel wurde mit dem Verfahren von liegenden Tropfen auf dem Gert von Easy Drop gemessen. Die Oberflchenenergie wurde nach dem Kontaktwinkel bei der Benetzung mit zwei Flssigkeiten (deionisiertes Wasser und Glycerin) berechnet.

Die Forschungen in der Morphologie der Schichten mit der Methode der Rasterkraftmikroskopie zeigen, dass die Struktur der erzeugten TiO2 und Ti-O-N - Schichten homogen und dicht ist und keine sichtbaren Defekte auf der Oberflche enthlt (die Abb. 1). Die Struktur der Schichten ist feinkrnig. Bei einer Verlngerung der Dauer der Zerstubung wird das Relief der TiO2 Ti-O-N -Schichten stark ausgeprgt. Die Bildung und die Gre der Schichten geht mit der Bildung von Inseln und der nachfolgenden Vergrerung ihrer Flche bis zum Zusammenschluss einher (die Abb. 1). Die Gre der Krner variiert im Bereich von 6 bis 75nm. Die Verteilungsfunktion der Korngre hat zwei Spitzenwerten 10-20 nm und 30-40 nm (Abb.2) Abbildung 1: Die Darstellung der Schichten vom Abbildung 2. Die Verteilungsfunktion der Korngre Rasterkraftmikroskop Abbildung 1 zeigt, dass die einzelnen Krner eine "Feinstruktur" haben. Die Struktur besteht aus sulenfrmigen Subnanokristallkrnern. Die sulenfrmige Bildung ist senkrecht zur Grenzflche Substrat / Film.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 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.