Автореферат (Нанопористые анодно-оксидные пленки на порошковом сплаве титан-алюминий)

На правах рукописиСтепанова Кристина ВячеславовнаНАНОПОРИСТЫЕ АНОДНО-ОКСИДНЫЕ ПЛЕНКИ НАПОРОШКОВОМ СПЛАВЕ ТИТАН-АЛЮМИНИЙСпециальность 01.04.07 - физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2016Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего образования «Петрозаводский государственный университет»Научный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорЯковлева Наталья МихайловнаОфициальные оппоненты:Юраков Юрий Алексеевич, доктор физикоматематических наук, старший научныйсотрудник, ФГБОУ ВО «Воронежскийгосударственный университет», профессоркафедры физики твердого тела и наноструктурМалышев Владимир Николаевич, доктортехнических наук, доцент, ФГБОУ ВО«Российский государственный университетнефти и газа (национальный исследовательскийуниверситет) имени И.М.

Губкина», профессоркафедры трибологии и технологий ремонтанефтегазового оборудованияВедущая организация:Федеральное государственное автономноеобразовательное учреждение высшегообразования «Дальневосточный федеральныйуниверситет»Защита состоится «25» января 2017 г.

в 14 час. 30 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 212.141.17 на базе ФГБОУ ВПО «Московскийгосударственный технический университет имени Н.Э. Баумана» по адресу:248000, 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.ruАвтореферат разослан «___»Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат технических наук,доцент2016 г.Лоскутов Сергей АлександровичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследования. Самоорганизованные оксидные пленкис различными морфологическими характеристиками: пористые и трубчатыесоздаются на поверхности целого ряда металлов (Ta, Nb, Al, Ti, W, Zr, Hf идр.) и сплавов электрохимическим анодированием [1, 2]. Причинойформирования таких структур является синергия процессов роста ирастворения оксидной пленки, реализующаяся под действием электрическогополя. Исследование материалов данного класса является актуальным, как сфундаментальной точки зрения изучения процесса самоорганизации, так иблагодаря огромному числу как уже реализованных, так и перспективныхприменений.

Такой оксид состоит из тонкого барьерного слоя, прилегающегок металлу, и пористого в виде совокупности гексагонально упакованныхпор/трубок,нормальныхметаллическойподложке.Изучениесамоорганизованных анодно-оксидных пленок (АОП) целесообразнопроводить на разных уровнях масштаба: атомном, исследуя взаимноерасположение атомов, и так называемом «мезоскопическом», характеризуявзаимное расположение отдельных структурных элементов (пор, трубок илиячеек).При анодировании алюминия в различных электролитах, в том числе ифторсодержащих,формируютсясамоорганизованныенанопористыеоксидные пленки с диаметром пор и толщиной, задаваемыми условиямипроцесса. Такие оксиды широко используются в качестве шаблонов длясинтеза различных наноматериалов, а также для ультрафильтрации [1].Анодирование титана в электролитах, содержащих ионы фтора и хлора,приводит к росту на поверхности оксидных пленок с самоорганизованнойнанотрубчатой структурой [2].Исследование формирования оксидных пленок при анодированииинтерметаллидов системы Ti-Al: TiAl, TiAl3, Ti3Al во фторсодержащемрастворе 10% H2SO4 + 0.15%HF [3,4] показало, что в зависимости отсоотношения компонент сплава и условий процесса возможно получениесамоорганизованныхоксидовнанопористойилинанотрубчатоймезоструктурой.

Так, для формирования АОП пористого типа следуетиспользовать сплавы Ti-Al с содержанием Al более 19 вес.%. Причем,образующаяся на поверхности TiAl (36 вес.%Al) пористая пленка состоит изоксидов Al2O3 и TiO2 в примерно равном соотношении. Известно, чтоалюминид титана -TiAl (33 до 46 вес.% Al) обладает жаропрочностью ижаростойкостью, сравнимой с никелевыми суперсплавами [5], апредварительное нанесение на поверхность защитных покрытий (вакуумнымнапылением, металлизацией и микродуговым оксидированием) увеличиваеттемпературный интервал эксплуатации до 1073-1173К [5].

Учитываясложность предлагаемых технологий, разработка более простых методовнанесения защитных покрытий является актуальной проблемой дляреализации высокотемпературных применений -TiAl.1Весьма перспективно использование образцов из спеченных порошковTiAl. Дальнейшая модификация поверхности микрочастиц порошкаанодированием, приводящая к росту наноструктурированной оксиднойпленки, должна увеличить удельную поверхность, а соответственно,улучшить биосовместимость, каталитическую активность, а такжежаростойкость и жаропрочность материала. Информации об анодированиипорошковых алюминидов титана не обнаружено, поэтому изучениезакономерностей роста самоорганизованных наноструктурированных АОПна порошковом TiAl является весьма актуальной задачей, посколькуоткрывает перспективы создания мультифункциональных наноматериалов.Известно, что нанокристаллический TiO2 обладает фотокаталитическойактивностью [2] под действием УФ-облучения (УФО).

Приоритетнымнаправлением последних лет является поиск путей создания оксидов титана сфотокаталитической активностью не только в УФ, но и видимом, и дажеинфракрасном диапазоне электромагнитного излучения [6]. Посколькунанопористые оксидные пленки на TiAl включают наряду с Al2O3 и TiO2, товыполняемое впервые изучение процесса их кристаллизации может оказатьсяперспективным для получения новых композитных фотокаталитическихнаноматериалов.В соответствии с вышесказанным, актуальность изучениязакономерностей формирования нанопористых оксидных пленок прианодировании алюминида титана TiAl, их структуры на атомном имезоскопическом уровнях с сопутствующей оценкой их функциональныхсвойств, в особенности фотокаталитических, не подлежит сомнению.Цель работы заключалась в получении и исследовании нанопористыханодных оксидных пленок на порошковом сплаве Ti-40вес.%Al.Для достижения указанной цели были решены следующие основныезадачи:1.

Изучение кинетических закономерностей роста оксидных пленок прианодировании сплава Ti-40вес.%Al во фторсодержащих электролитах.2. Комплексное изучение атомной и мезоскопической структурысформированных на поверхности сплава Ti-40вес.%Al нанопористыхоксидных пленок.3. Исследование структурных превращений в самоорганизованныхнанопористых анодных оксидных пленках на поверхности сплаваTi-40вес.%Al при термическом воздействии.4. Изучение электронных и фотокаталитических свойств нанопористыханодно-оксидных пленок на поверхности сплава Ti-40вес.%AlНаучная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:1.

Разработаны и получены самоорганизованные нанопористые аноднооксидные пленки на порошковом сплаве Ti-40вес.%Al.2.Выполнено комплексное исследование структуры полученныхпленок на атомном и мезоскопическом уровне.23. Изучены особенности термической кристаллизации в вакууме и навоздухе разработанных нанопористых анодных оксидных пленок.4. Установлен факт уменьшения оптической ширины запрещеннойзоны титаноксидной компоненты в нанопористых оксидных пленках напорошковом сплаве Ti-40вес.%Al по сравнению с нанотрубчатым аноднымTiO2.5. Обнаружена фотокаталитическая активность нанопористых аноднооксидных пленок под действием электромагнитного излучения видимогодиапазона.Научно-практическая значимость работы заключается в том, что:1. Установленные закономерности роста и структурообразованиянанопористых оксидных пленок важны как для развития теоретическихпредставлений о самоорганизации при электрохимическом анодированиипорошковых материалов, так и для «направленного» формированиятонкопленочных оксидов с заданными параметрами.2.

Обнаружение в составе отожженных на воздухе при Т=1093Кобразцов как высокотемпературной фазы α-Al2O3, так и оксидной керамикиAl2TiO5 делает данный способ модификации поверхности перспективным дляувеличения температурного интервала эксплуатации γ-TiAl.3. Показана перспективность применения самоорганизованныхнанопористых анодно-оксидных пленок с высокой удельной поверхностьюна сплаве Ti-40вес.%Al для создания новых фотокаталитически активныхтонкопленочныхпокрытийсхарактеристиками,превосходящимисуществующие аналоги. Диспергированный материал может бытьиспользован в качестве фотокаталитически активного компонента лаков икрасок.4. Полученные в работе результаты могут служить основой разработкиновых порошковых мультифункциональных наноматериалов.Достоверность полученных результатов обеспечена изучениемобъектов исследования с помощью комплекса взаимодополняющихсовременных методов и подтверждается воспроизводимостью результатов набольшом количестве образцов.Научные положения, выносимые на защиту1.