Автореферат диссертации (Воздействие высокотемпературной импульсной плазмы на физико-механические свойства композиционных структур)

На правах рукописиЕрискин Александр АлександровичВОЗДЕЙСТВИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ПЛАЗМЫНА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХСТРУКТУРСпециальность 01.04.07 – Физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученойстепени кандидата технических наукМосква – 2017Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательномучреждении высшего образования«Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»Научныйруководитель:доктор физико-математических наук,профессор,заслуженный деятель науки РФБондаренко Геннадий ГермановичОфициальныеоппоненты:Волков Николай Викторович,доктор физико-математических наук,доцент,ФГАОУ ВО «Национальный исследовательскийядерный университет «МИФИ» (НИЯУ МИФИ),доценткафедрыфизическихпроблемматериаловеденияБармин Александр Александрович,кандидат технических наук,Государственный научный центр РФ – федеральноегосударственноеунитарноепредприятие«Исследовательский Центр имени М.В.

Келдыша»,ведущий научный сотрудник Центра по применениюнанотехнологий в космической энергетике иэлектроснабжении космических системВедущаяорганизация:ФГАОУ ВО «Московский физико-техническийинститут (государственный университет)» (МФТИ)Защита состоится «20» декабря 2017 г. в 14 часов 30 минут на заседаниидиссертационного совета Д 212.141.17, созданного на базе ФГБОУ ВО«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана(национальный исследовательский университет)» по адресу: 248000, г. Калуга,ул. Баженова, д.

2, МГТУ имени Н.Э. Баумана, Калужский филиал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана и насайтах http://www.bmstu.ru, http://www.bmstu-kaluga.ru.Автореферат разослан «_____» ________________2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат технических наук, доцентЛоскутов СергейАлександровичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. Диссертация посвящена исследованиювоздействия на материалы импульсной высокотемпературной плотной плазмы, получаемой в установках типа плазменный фокус.

Отличительной особенностьюплазменных пучков, создаваемых на такого рода установках является одновременное воздействие на материалы пучков заряженных частиц, нейтронного и электромагнитного излучений в широком диапазоне длин волн – от инфракрасного дожесткого рентгеновского; еще одной особенностью являются параметры плазмы:плотность ~1018 ÷ 1021 см-3 и температура ~1 кэВ.

Таким образом, на материалы,располагаемые на пути движения плазмы, осуществляется комплексное влияниеперечисленных воздействий, сильно разогревая поверхностный слой материала закороткое время до наступления абляции, вследствие чего возникает ударнаяволна, распространяющаяся вглубь облучаемого материала. Пониманиемеханизмов воздействия высокоинтенсивной плазмы, образованной изотопамиводорода, на материалы особенно важно для реакторов с магнитным удержаниемплазмы.

В связи с существующей вероятностью срыва плазмы и работы реактора внештатных условиях возможно протекание нежелательных процессов:повышенной эрозии первой стенки и дивертора термоядерного реактора (ТЯР),образование трещин и структурных дефектов в материалах конструкции,повышенная степень распухания за счет высокой концентрации газовых атомов идр. Изучение воздействия высокотемпературных импульсных потоков плазмы наматериалы представляет также интерес и в связи с возможностью получениясоединений из термодинамически несмешивающихся элементов, что также можетпривести к созданию целого направления в материаловедении по практическомуполучению ранее неизвестных сплавов с уникальными свойствами. Практическийаспект данной темы исследования заключается также в возможности полученияпокрытий с уникальными прочностными и электропроводящими свойствами.Исходя из вышеизложенного, тема диссертации является вполне актуальной,поскольку процессы, происходящие при воздействии высокотемпературнойимпульсной плазмы на физико-механические свойства композиционных структурявляются в настоящее время еще мало изученными.Степень разработанности темы исследования.

На момент началанаписания диссертацонной работы попытки получения каких-либо покрытий спомощью установок типа плазменный фокус на диэлектрических (стеклянных)подложках приводили к сильной деструкции и разрушению подложек иневозможности получения качественных покрытий. Получение соединенийнесмешиваемых материалов требовало более детального изучения, так как былисделаны весьма немногочисленные работы на установках типа плазменный фокус.По тематике накопления и перераспределения H и D в конструкционные материалы было проведено значительное количество экспериментов, в том числе и наустановках типа плазменный фокус, тем не менее, оставались вопросы,требующие проведения дополнительных экспериментов и исследований.Цель и задачи диссертационной работы.

Цель работы –экспериментальное выявление закономерностей изменения физико-механическихсвойств и структуры конструкционных материалов в результате воздействия1высокотемпературныхимпульсныхплазменныхпотоков;разработкатехнологических решений создания композиционных структур из несмешивающихся материалов и получение прочных высокоадгезионных композиционныхметаллических покрытий на диэлектрических подложках с однороднойструктурой.Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:1.Выполнена модернизация действующей экспериментальной установки ПФ-4для возможности получения композиционных металлических покрытий надиэлектрических (стеклянных) подложках без заметной деструкции ихповерхности.2.Разработано устройство, позволяющее получать соединения изтермодинамически несмешиваемых компонентов, используемое в установке ПФ-4.3.Методами резерфордовского обратного рассеяния и анализа упругорассеянных ядер отдачи получены профили распределения водорода и дейтерия вконструкционных материалах, облученных высокоэнергетической импульснойплазмой;обнаруженосверхглубокоепроникновениедейтерияиперераспределение водорода на глубины, значительно превышающие значенияпроективных пробегов соответствующих ионов, рассчитанных с помощьюпрограммы SRIM.4.Получены и исследованы методами рентгеноструктурного анализа и растровой электронной микроскопии композиционные структуры из термодинамическинесмешивающихся компонентов (Nb-Cu, W-Cu, W-Ag).5.Разработана методика получения прочных высокоадгезионных оптическихпокрытий металлов (Fe, Ni, Cu, Ti, W) на диэлектрических подложках путемоблучения высокоэнергетическими потоками импульсной плазмы.6.Исследованы физико-механические свойства (оптические, электрические,прочностные, адгезия) и структура получаемых покрытий при различных режимахоблучения.

Продемонстрирована возможность при вариации условий облученияполучения проводящих, либо диэлектрических покрытий для выбраннойкомпозиционной структуры.Научная новизна диссертационной работы:1.Предложена методика получения оптических прочных высокоадгезионныхпокрытий металлов на диэлектрических подложках с использованиемвысокотемпературной импульсной плазмы, получаемой на установках типаплазменный фокус, отличающаяся созданием поверхностных композиционныхслоев с однородным распределением компонентов вследствие ионногоперемешивания компонентов плазмы с материалом подложки.2.Выявлены закономерности изменений физико-механических свойств иструктуры получаемых на ПФ оптически прозрачных покрытий на стеклах. Спомощью полученных оптических спектров пропускания установлено, что взависимости от условий облучения и пострадиационной обработки покрытияимеют различный тип проводимости (проводящий или диэлектрический).Получено увеличение микротвердости в 1,5 раза в тонком приповерхностном слоетолщиной 20 ÷ 30 нм покрытия, полученного на ПФ во внутренней полости Cuтрубки.

Достаточно глубокое проникновение напыляемых элементов покрытия в2подложку (до 0,8 ÷ 1,5 мкм для частиц W и Cu) обеспечивает высокую адгезиюполучаемых покрытий.3.Обнаружено явление сверхглубокого проникновения дейтерия иперераспределение водорода в конструкционных материалах (Ti, Ni, Zr, Nb, Ta,W), подвергнутых облучению на установке типа плазменный фокус.4.Получены профили распределения элементов по глубине, внедряемых встеклянные подложки при облучении высокотемпературными импульсными плазменными потоками на установке типа плазменный фокус. Установлено, что вполучаемых покрытиях создается однородно перемешанная структура из атомовпленки и подложки с отсутствием четкой границы раздела.5.При облучении высокотемпературной плазмой на установке «Плазменныйфокус» в определенных режимах получены композиционные структуры изтермодинамически несмешивающихся компонентов (Nb-Cu, W-Cu, W-Ag).Достоверность полученных результатов.

Достоверность результатов научных исследований подтверждается применением в работе комплекса современныхвзаимодополняющих методов исследований (цифровая оптическая микроскопия,растровая электронная микроскопия, спектрофотометрия, рентгеноструктурныйанализ, метод непрерывного индентирования (кинетической твердости), резерфордовское обратное рассеяние, анализ упруго рассеянных ядер отдачи) икорреляцией экспериментальных результатов с известными литературнымиданными.Теоретическая и практическая значимость работы.В диссертационной работе при обнаружении эффекта дальнодействия получены профили распределения имплантированных атомов в объеме материала ипредложен физический механизм обнаруженного явления сверхглубокого проникновения внедряемых частиц.Для определения характера изменения электропроводности покрытий взависимости от режима плазменного облучения, помимо электрофизическиххарактеристик, получены оптические спектры пропускания образцов сдиэлектрическим и металлическим характером проводимости и предложенфизический механизм, объясняющий полученную зависимость.Продемонстрированная в работе возможность создания при облучениивысокотемпературной импульсной плазмой соединений из термодинамическинесмешивающихся компонентов может явиться основой создания научногонаправления получения новых уникальных сплавов.Практическая новизна полученных результатов и методик защищены патентом на Полезную модель № 2016105989 от 20.02.2016 и подтверждены справкой овнедрении от Физического института им.