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

Федеральное государственное автономное образовательное учреждениевысшего образования «Национальный исследовательский университет«Высшая школа экономики»На правах рукописиЕрискин Александр АлександровичВоздействие высокотемпературной импульсной плазмы на физикомеханические свойства композиционных структурСпециальность 01.04.07 – Физика конденсированного состоянияДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:д.

ф.-м. н., профессорБондаренко Геннадий ГермановичМосква – 20172ОглавлениеСтр.Перечень сокращений………………………………………………………….6Введение………………………………………………………………………..7Глава 1. Современное состояние проблемы изменения структурногосостоянияисвойствматериаловпривоздействиивысокотемпературной импульсной плазмы и использования данноговоздействия для практических применений……………………………...1.1.17Изменения структуры и свойств материалов при облучениивысокотемпературной плазмой……………………………………..171.2.Современные методы нанесения металлических покрытий……...231.3.Влияние концентрации и объемного распределения изотоповводорода на физико-механические свойства и структуруконструкционных материалов термоядерного реактора.................1.4.Созданиесплавовизтермодинамически54несмешиваемыхкомпонентов………………………………………………………….62Выводы по главе 1…………………………………………………...66Глава 2.

Методика эксперимента…………………………………………..682.1.Устройство установки «Плазменный фокус»……………………...682.2.Принцип работы плазменного фокуса и его характеристики…….722.3.Методика облучения образцов на установке «Плазменный1.5.фокус» (прямое воздействие плазмы на материалы)……………...2.4.Методиканапыленияметаллическихпленокпридиафрагмировании плазменной струи……………………………..2.5.7677Методика напыления пленок металла скользящим пучкомплазмы через щелевую диафрагму…………………………………782.6.Методика напыления пленок через полые трубки………………...802.7.Методикаоблучениясборокобразцовдляизученияпроникновения и перераспределения в них водорода и дейтерия.813Стр.2.8.Измерение оптических свойств исследуемых материалов……….832.9.Измерение электрофизических свойств исследуемых материалов832.10.Измерение механических свойств исследуемых материалов…...852.10.1.

Микротвердость покрытий…………………………………….. 852.10.2. Адгезия покрытий………………………………………………. 85Структурные методы исследования………………………………862.11.1. Оптическая микроскопия…………………………………….862.11.2. Растровая электронная микроскопия………………………..862.11.3. Рентгеноструктурный анализ………………………………...872.11.4. Метод обратного резерфордовского рассеяния…………….872.11.2.11.4.1.Резерфордовскоеобратноерассеяние–РОР(Rutherford Backscattering Spectrometry – RBS)...........2.11.4.2.88Анализ упруго рассеянных ядер отдачи (Elastic recoildetection analysis – ERDA)……………………………..902.12.Отжиг образцов…………………………………………………….912.13.Методика получения соединений нерастворимых друг в другени в жидком, ни в твердом состоянии материалов (W-Cu, WAg) с помощью установки ПФ-4………………………………….2.14.91Методика получения соединений Nb-Cu с помощью установкиПФ-4………………………………………………………………...93Глава 3.

Экспериментальное исследование физико-механическихсвойствпокрытий,создаваемыхсиспользованиемвысокотемпературной плазмы……………………………………………...943.1.Введение……………………………………………………………...943.2.Разработка методики напыления пленок металлов на стекла……953.3.Напыление пленок вольфрама при прямом воздействии плазмы3.4.на стеклянную подложку……………………………………………95Напыление пленок при диафрагмировании пучка плазмы……….1014Стр.3.5.Напыление пленок металла скользящим пучком плазмы черезщелевую диафрагму…………………………………………………1073.6.Обсуждение результатов экспериментов из п. 3.2, 3.3, 3.4 и 3.5…1093.7.Влияние отжига на оптические свойства пленок, полученных наустановке ПФ-4 с использованием щелевой диафрагмы…………1113.8.Напыление пленок через полые трубки на установке ПФ-4……... 1153.9.Изучение методом резерфордовского обратного рассеянияраспределения элементов в пленках, напыленных через полыетрубки на установке типа «Плазменный фокус»………………….3.10.Нанесение покрытий в трубках на установке плазменныйфокус………………………………………………………………..3.11.Глава4.Исследованиепроникновенияиперераспределениявоздействииимпульснойдейтериевойвысокотемпературной плазмы……………………………………...138Распределение дейтерия и водорода в вольфрамовых фольгахпри облучении импульсной высокотемпературной плазмой…….4.3.138Распределение дейтерия и водорода в Zr, Ni и Ti сборках фольгпри4.2.130Выводы по главе 3………………………………………………….

136изотопов водорода в конструкционные материалы……………………..4.1.124146Влияние ударных волн, генерируемых высокотемпературнойаргоновой плазмой, на перераспределение водорода и дейтерияв сборках из танталовых и ниобиевых фольг……………………...4.4.152Выводы по главе 4…………………………………………………... 158Глава 5. Создание сплавов из термодинамически несмешивающихсякомпонентов c использованием высокотемпературной импульснойплазмы…………………………………………………………………………. 1595.1.О содержании примесей в пленках, напыленных на установкахтипа «Плазменный фокус»………………………………………….1595Стр.5.2.Получение соединений несмешиваемых материалов с помощьювысокотемпературной импульсной плазмы……………………….1605.2.1.

Сплавы W-Cu и W-Ag…………………………………………. 1605.2.2. Сплавы Nb-Cu и Cu-Nb……………………………................... 1725.3.Измерение электрофизических свойств полученных соединений.5.4.Выводы по главе 5…………………………………………………... 179177Основные выводы и заключение…………………………………………... 180Список литературы…………………………………………………………..1836Перечень сокращенийВАХ – вольт-амперная характеристикаВН – вакуумное напылениеГТ – газовый трансмутантГТД – газотурбинный двигательГЦК – гранецентрированная кубическая (решетка)ДП – дейтериевая плазмаДРОН – дифрактометр рентгеновский общего назначенияИРТ – импульсная радиационно-термическая (обработка)МКФ – микрокапельная фазаМРС – магнетронная распылительная системаОКГ – оптический квантовый генераторПВА – первично выбитый атомПС – поверхностный слойПФ – плазменный фокусРАН – Российская академия наукРОР – резерфордовское обратное рассеяниеСФС – структурно-фазовое состояниеТПО – токо(во)-плазменная оболочкаТЯР – термоядерный реакторУВ – ударная волнаУВНИПА – устройство вакуумного нанесения покрытийУТС – управляемый термоядерный синтезПЯР – продукты ядерной реакцииERDA – Elastic Recoil Detection AnalysisNRA – Nuclear Reaction AnalysisRBS – Rutherford Backscattering SpectrometrySIMNRA – simulation program for the analysis of NRA, RBS and ERDASRIM – the Stopping and Range of Ions in MatterTRIM – TRansport of Ions in Matter7ВведениеАктуальностьтемыисследования.Диссертацияпосвященаисследованию воздействия на материалы импульсной высокотемпературнойплотнойплазмы,получаемойв установкахтипаплазменныйфокус.Отличительной особенностью плазменных пучков, создаваемых на такого родаустановках является одновременное воздействие на материалы пучковзаряженных частиц, нейтронного и электромагнитного излучений в широкомдиапазоне длин волн – от инфракрасного до жесткого рентгеновского; ещеодной особенностью являются параметры плазмы: плотность ~1018 ÷ 1021 см-3 итемпература ~1 кэВ.

Таким образом, на материалы, располагаемые на путидвижения плазмы, осуществляется комплексное влияние перечисленныхвоздействий, сильно разогревая поверхностный слой материала за короткоевремя до наступления абляции, вследствие чего возникает ударная волна,распространяющаяся вглубь облучаемого материала. Понимание механизмоввоздействия высокоинтенсивной плазмы, образованной изотопами водорода, наматериалы особенно важно для реакторов с магнитным удержанием плазмы. Всвязи с существующей вероятностью срыва плазмы и работы реактора внештатныхусловияхвозможнопротеканиенежелательныхпроцессов: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 атомови др.

[1]. Изучение воздействия высокотемпературных импульсных потоковплазмы на материалы представляет также интерес и в связи с возможностьюполучения соединений из термодинамически несмешивающихся элементов, чтотакже может привести к созданию целого направления в материаловедении попрактическому получению ранее неизвестных сплавов с уникальнымисвойствами. Практический аспект данной темы исследования заключаетсятакже в возможности получения покрытий с уникальными прочностными иэлектропроводящимисвойствами.Исходяизвышеизложенного,тема8диссертации являетсявоздействииактуальной, поскольку процессы, происходящие привысокотемпературнойимпульснойплазмынафизико-механические свойства композиционных структур являются в настоящее времяеще мало изученными.Степень разработанности темы исследования.