Диссертация (Воздействие высокотемпературной импульсной плазмы на физико-механические свойства композиционных структур), страница 2

На момент началанаписания диссертационной 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 какбыли сделаны весьма немногочисленные работы по соединениям W-Cu, Nb-Cuи Fe-Pb на установках типа плазменный фокус.

По тематике накопления иперераспределения H и D в конструкционные материалы было проведенозначительное количество экспериментов, в том числе и на установках типаплазменный фокус, тем не менее, оставались вопросы, требующие проведениядополнительных экспериментов и исследований.Цель и задачи диссертационной работы.Цельработы–экспериментальноевыявлениезакономерностейизменения физико-механических свойств и структуры конструкционныхматериалов в результате воздействия высокотемпературных импульсныхплазменныхпотоков;разработкатехнологическихрешенийсозданиякомпозиционных структур из несмешивающихся материалов и получениепрочных высокоадгезионных композиционных металлических покрытий надиэлектрических подложках с однородной структурой.Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:1.Выполнена модернизация действующей экспериментальной установкиПФ-4 для возможности получения композиционных металлических покрытийна диэлектрических (стеклянных) подложках без заметной деструкции ихповерхности.92.Разработаноустройство,позволяющееполучатьсоединенияизтермодинамически несмешивающихся компонентов, используемое в установкеПФ-4.3.Методами резерфордовского обратного рассеяния и анализа упругорассеянных ядер отдачи получены профили распределения водорода и дейтериявконструкционныхматериалах,облученныхвысокоэнергетическойимпульсной плазмой; обнаружено сверхглубокое проникновение дейтерия иперераспределение водорода на глубины, значительно превышающие значенияпроективных пробегов соответствующих ионов, рассчитанных с помощьюпрограммы SRIM.4.Получены и исследованы методами рентгеноструктурного анализа ирастровойэлектронноймикроскопиикомпозиционныеструктурыизтермодинамически несмешивающихся компонентов (W-Cu, W-Ag и Nb-Cu).5.Разработанаметодикаполученияпрочныхвысокоадгезионныхоптических покрытий металлов (Fe, Ni, Cu, Ti, W) на диэлектрическихподложках путем облучения высокоэнергетическими потоками импульснойплазмы.6.Исследованы физико-механические свойства (оптические, электрические,прочностные, адгезия) и структура получаемых покрытий при различныхрежимах облучения.

Продемонстрирована возможность при вариации условийоблучения получения проводящих, либо диэлектрических покрытий длявыбранной композиционной структуры.Научная новизна диссертационной работы:1.Предложенаметодикаполученияоптическихпрочныхвысокоадгезионных покрытий металлов на диэлектрических подложках сиспользованием высокотемпературной импульсной плазмы, получаемой наустановках типа плазменный фокус, отличающаяся созданием поверхностныхкомпозиционных слоев с однородным распределением компонентов вследствиеионного перемешивания компонентов плазмы с материалом подложки.102.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 существенное увеличение микротвердости в 1,4 раза в тонкомприповерхностном слое толщиной 20 ÷ 30 нм покрытия, полученного на ПФ вовнутреннейполоститрубки.CuДостаточноглубокоепроникновениенапыляемых элементов покрытия в подложку (до 0,8 ÷ 1,5 мкм для частиц W иCu) обеспечивает высокую адгезию получаемых покрытий.3.Обнаруженоявлениесверхглубокогопроникновениядейтерияиперераспределение 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 импульснымиплазменными потоками на установке типа плазменный фокус.

Установлено, чтов получаемых покрытиях создается однородно перемешанная структура изатомов пленки и подложки с отсутствием четкой границы раздела.5.Приоблучениивысокотемпературнойплазмойнаустановке«Плазменный фокус» в определенных режимах получены композиционныеструктуры из термодинамически несмешивающихся компонентов (W-Ag, W-Cuи Nb-Cu).Достоверность полученных результатов. Достоверность результатовнаучных исследований подтверждается применением в работе комплексасовременныхвзаимодополняющихоптическаямикроскопия,спектрофотометрия,индентированиярассеяние,растроваярентгеноструктурный(кинетическойанализметодовупругоисследованийэлектроннаяанализ,твердости),рассеянныхядер(цифроваямикроскопия,методнепрерывногорезерфордовскоеотдачи)иобратноекорреляциейэкспериментальных результатов с известными литературными данными.11Теоретическая и практическая значимость работы.В диссертационной работе при обнаружении эффекта дальнодействияполучены профили распределения имплантированных атомов в объемематериала и предложен физический механизм обнаруженного явлениясверхглубокого 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 защищеныпатентом на Полезную модель № 2016105989 от 20.02.2016 и подтвержденысправкой о внедрении от Физического института им.

П.Н. Лебедева РАН. Вчастности, разработанные устройства и приспособления установлены на«Плазменный фокус» ПФ-4 комплекса «Тюльпан» и успешно используются впроводимых институтом научных экспериментах. Практическую значимостьтакже представляют полученные в диссертации высокопрочные покрытия,изменением режима плазменного облучения которых можно менять типэлектропроводности.Методология и методы исследования. В качестве методологическойосновы использовали принципы физико-химического взаимодействия врасплавах,образованныхприоблученииразнородныхматериалов,баллистического перемешивания атомов различных элементов при воздействиивысокоэнергетических импульсных потоков, теории атомных столкновений привысокоэнергетическом плазменном воздействии.12Для исследования структуры и состава поверхности облученныхобразцов, их физико-механических свойств (оптических, электрических,прочностных,адгезии)оптическаяиспользовалисьмикроскопия,растроваяследующиеметоды:электроннаяцифроваямикроскопиясмикрорентгеновской приставкой для элементного анализа, спектрофотометрия,рентгеновскаядифрактометрия,методнепрерывногоиндентирования(кинетической твердости), четырехзондовый метод измерения вольт-амперныххарактеристик, методы резерфордовского обратного рассеяния и анализаупруго рассеянных ядер отдачи.Основные положения, выносимые на защиту:1.Развитый метод получения металлических покрытий на диэлектрическихподложкахспомощьюимпульснойвысокотемпературнойплазмы,генерируемой в установках типа плазменный фокус, позволяющий совершатьодновременное легирование атомами C, Cu, W, Ti приповерхностных слоевметаллических и неметаллических материалов.2.Результаты исследования физико-механических свойств (оптических,электрических, прочностных, адгезии) и структуры покрытий, созданных путемоблучения на установке типа плазменный фокус и отличающихся однороднымраспределением компонентов пленки и подложки в поверхностном слое,получающемся за счет ионного перемешивания компонентов плазмы сматериалом подложки.3.Выявленные закономерности сверхглубокого проникновения дейтерия иперераспределения водорода в конструкционных материалах, облученных приопределенных режимах в установках типа плазменный фокус, и физическиймеханизм обнаруженного явления.4.Метод получения композиционных структур из термодинамическинесмешивающихся элементов, результаты исследования их электрическихсвойств и поверхностной структуры, физический механизм, объясняющийданное явление.13Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работыдокладывались на: XXII, XXIII, XXIV, XXV, XXVI Международныхконференциях «Радиационная физика твердого тела» (г. Севастополь, 20122016 гг.); 10 и 11 Международных конференциях «Взаимодействие излучений ствердым телом» (Беларусь, г. Минск, 2013, 2015 гг.); V и VI Всероссийскихмолодежных конференциях по фундаментальным и инновационным вопросамсовременной физики (г. Москва, 2013, 2015 гг.); XLV МеждународнойТулиновской конференции по физике взаимодействия заряженных частиц скристаллами(г.Москва,2015г.);Научно-техническихконференцияхстудентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ и ВШЭ (г.Москва, 2012-2016 гг.); XXII Научно-техническом семинаре «Научныематериалы для обычной и атомной промышленности и электрической энергии»(Польша, г.

Закопане, 2015 г.); VI Международной конференции с элементаминаучнойШколыдлямолодежи«ФункциональныеНаноматериалыиВысокочистые Вещества» (г. Суздаль, 2016 г.).Материалы диссертации были включены в отчетные материалы попроектам ФИАН и ИМЕТ, а также по грантам РФФИ № 11-02-00854-а«Исследованиеплазменныхвзаимодействияпотоков,сполучаемыхматериаламинамощныхсильноточнойимпульсныхэлектроразряднойустановке типа плазменный фокус», № 15-02-05995 «Исследование физикиаксиальных плазменных потоков и пучков быстрых частиц в плазме,создаваемой сильноточным разрядом типа плазменный фокус и изучение ихвзаимодействия с конденсированными средами», по грантам президента РФ№НШ-354.2012.2«Разработкаметодовдиагностикииисследованиеплазменных источников высокой плотности энергии и интенсивности»,№ НШ-1424.2014.2 «Новые источники корпускулярного и электромагнитногоионизирующегоизлучениянаосновемощныхимпульсныхлазерно-плазменных устройств», по гранту РНФ № 16-12-10351 «Исследованиевзаимодействия с неорганическими материалами кумулятивных плазменных,корпускулярных и электромагнитных потоков с высокой плотностью и14интенсивностью энергии.