Диссертация (Распыление керамик и керамических композитов потоками ионов низких энергий), страница 13

в них не учтены многиефакторы, способные играть роль при распылении керамических композитов.Во-первых, не учитывается пористость материала, которая в случаекерамических материалов, изготовленных методами горячего прессования илиреакционного спекания, всегда имеет место. В этом случае, когда каскадстолкновений атомов развивается до границы зерно-пора, возможно распылениематериала в пору, и, таким образом, распыленные атомы остаются внутриматериала.Во-вторых, приведѐнные выше рассуждения основаны на предположениио том, что развитие каскада атомных столкновений происходит внутри зѐрен и72не выходит за их пределы. Это означает, что не учтены возможные «граничные»эффекты, когда взаимодействие ионов с атомами материала происходит вблизиграниц соприкосновения зѐрен различных материалов (например, BN-SiO2), икаскад, развивающийся в одном из зѐрен, возбуждает каскад в другом, инаоборот. Подобное «пограничное» взаимовлияние в теории распыления покасовершенно не изучено.В-третьих, сделанное для простоты рассуждений допущение о том, чтоструктура керамического композита представляет собой последовательностьспечѐнных между собой разнородных по составу зѐрен, в большинстве случаевневерно.

Конечно, в процессе распыления на облучаемой поверхностиприсутствуют фрагменты всех компонентов, входящих в состав композита,однако модель «соседствующих шариков» здесь малодостоверна – во многихслучаях это, скорее, растворение зѐрен одного композита в монолите другого,причѐм в зависимости от состава и технологии получения композита междукомпонентами могут устанавливаться и химические связи.По-видимому, рассматривая этот вопрос только аналитически, оценитьвлияние концентрации компонент на величину коэффициента распылениякомпозита с достаточной достоверностью невозможно – необходимо проведениеэкспериментальныхисследований,приэтомдляполнотыибольшейдостоверности желательно проследить зависимость Y (C ) во всѐм возможноминтервале изменения концентраций компонентов.Для проведения подобных исследований были выбраны композиты типаБГП (BN+SiO2) и СБН (Сиалон+BN) – поскольку ранее продемонстрировалинеплохую устойчивость к ионному облучению, и, кроме того, БГП в настоящеевремя широко применяется в конструкции СПД, поэтому наиболее интересендля исследования.

Помимо этого в качестве возможной альтернативы материалуБГП был предложен композит BN+Si3N4, экспериментальные образцы которогобыли изготовлены методом реакционного спекания на кафедре Авиационногоматериаловедения МАИ.Образцы керамических композитов всех трѐх типов были исследованы напредмет зависимости коэффициента распыления от энергии ионов. Результатыэтого исследования представлены на рисунках 31-35.73Рисунок 31.

Зависимость коэффициентов распыления композита BN+SiO2 сразличной концентрацией BN (CBN=0,1-0,5) от энергии ионов.Рисунок 32. Зависимость коэффициентов распыления композита BN+SiO2 сразличной концентрацией BN (CBN=0,6-0,9) от энергии ионов.74Рисунок 33. Зависимость коэффициентов распыления композита BN+Si3N4 сразличной концентрацией BN (CBN=0,1-0,4) от энергии ионов.Рисунок 34. Зависимость коэффициентов распыления композита BN+Si3N4 сразличной концентрацией BN (CBN=0,5-0,9) от энергии ионов.75Рисунок 35. Зависимость коэффициентов распыления композита Сиалон+BN сразличной концентрацией BN (CBN=0,1-0,4) от энергии ионов.Из представленных на рисунках 31-35 графиков видно, что приувеличенииконцентрациитруднораспыляемогокомпонентавсоставеисследованных композитов (в данном случае для всех трѐх композитов этонитрида бора) общий коэффициент распыления композита снижается – отзначений Y, характерных для чистого легко распыляемого материала, дозначений Y, соответствующих нитриду бора.

При этом, как следует из графиков,интенсивность этого снижения неодинакова – по краям диапазона измененияконцентрации нитрида бора она невелика, а при средних значениях CBNувеличивается. На рисунке 36 приведены графики изменения величиныкоэффициентов распыления исследованных композитов в зависимости отконцентрации нитрида бора при энергии ионов 300 эВ (φ=0).

Здесь за точкуC BN1 принято значение Y для чистого нитрида бора, а в качестве точкиC BN0используютсязначениякоэффициентараспылениядляраспыляемых компонент – диоксида кремния, нитрида кремния и сиалона.76легкоРисунок 36. Зависимость коэффициентов распыления исследованныхкерамических композитов от концентрации нитрида бора.Из приведѐнных на рисунке 36 графиков видно, что зависимостикоэффициента распыления исследованных композитов от концентрации в нихнитрида бора демонстрируют непрерывное снижение суммарных значений Y ,начинаясь от значений для чистого легко распыляемого компонента (диоксидкремния и др.) при нулевой концентрации BN и заканчиваясь значениями длячистого нитрида бора при его 100-процентной концентрации. При этом, поинтенсивности снижения значений Y в зависимостиможно выделить триучастка.Первый участок находится в области концентраций нитрида бора науровнеC BN0,2 .Здесьимеетместоотносительнослабоеснижениекоэффициента распыления по мере увеличения концентрации нитрида бора.Коэффициенты распыления композита на этом участке несильно отличаются отзначений Y для легко распыляемого компонента, который, по-видимому, ивносит основной вклад в общее распыление – влияние нитрида бора здесьнезначительно.77На втором участке ( C BN находится примерно в интервале от 0,2 до 0,7)наблюдается интенсивное снижение значений Y .

Здесь влияние труднораспыляемого нитрида бора на общий коэффициент распыления композитастановится заметным и постоянно растѐт, в то время как влияние легкораспыляемого компонента снижается.На третьем участке (при C BN свыше 0,7) вклад нитрида бора в общуюсуммураспылениястановитсяпревалирующим,общийкоэффициентраспыления композита меняется слабо, и его значения становятся близки кзначениям для чистого нитрида бора.Следующее обстоятельство, которое следует отметить, это достаточносильное различие значений коэффициентов распыления для двух композитов –BN+SiO2 и BN+Si3N4 – при средних значениях концентрации нитрида бора.Значения Y для чистых легко распыляемых компонент отличаются друг от друганесильно 0,088 мг/Кл для SiO2 и 0,082 мг/Кл для Si3N4. При этом на начальном иконечном участках изменения концентрации нитрида бора значения Y для обоихкомпозитов близки – на начальном участке отличаются друг от друга примернона ту же величину, что и чистые нитрид и диоксид кремния, а на конечномпрактически не отличаются и близки к значениям Y для нитрида бора.

Однако всредней части зависимости композиты отличаются друг от друга очень сильно –при C BN0,4...0,5значения коэффициентов распыления для композита соксидом кремния в среднем в 2 раза выше, чем значения для композита снитридом кремния.Подобный «провал» зависимости одного композита по отношению кдругому заслуживает внимания, т.к. позволяет сделать важный в практическомсмысле вывод: при средних концентрациях нитрида бора композит с нитридомкремния более предпочтителен для использования в СПД, нежели боросил.Разумеется, этот вывод справедлив только лишь с точки зрения устойчивости кионной эрозии – остальные факторы, играющие роль при практическом выборематериала, в том числе и конструкционные свойства здесь не рассматриваются.Тем не менее, с точки зрения устойчивости к ионному распылению композитBN+Si3N4 выглядит по сравнению с BN+SiO2 более привлекательно – и во всѐм78диапазоне изменения C BN , и, особенно, в средней его части.

Однако этообстоятельство требует и своего научного объяснения, в отношении которогоможно пока лишь строить гипотезы.Одним из наиболее вероятных объяснений столь резкого различия вкоэффициентахраспылениямеждудвумякомпозитамиприсреднихконцентрациях нитрида бора, является то, что в случае композита с нитридомкремния имеет место повышенное содержание азота, благодаря чему в процессераспыления происходит частичное восстановление трудно распыляемогонитрида бора. Имеются экспериментальные данные по распылению керамикнитридной группы, согласно которым поверхностные слои материала врезультате распыления обедняются азотом. В результате такого обеднения внашем случае поверхность обогащается бором и кремнием, коэффициентыраспыления которых на порядок выше, чем значения Y для их нитридов иоксидов.

Однако в случае избытка азота в структуре материала (как, например, вкомпозите BN+Si3N4) возможно восстановление нитридов как бора, так икремния, что снижает интенсивность распыления материала в целом. В случаеже композита с диоксидом кремния концентрация азота в материалесущественно меньше, и процесс восстановления нитрида бора менее заметен.Правда, в этом случае из-за наличия в структуре кислорода возможнообразование нитрида кремния (Si3N4) и оксида бора (B2O3), которые такжеимеют низкие коэффициенты распыления (по сравнению с бором и кремнием),однако суммарная концентрация активной «газовой» фазы приходящаяся наодин атом бора или кремния здесь заметно ниже, чем в композите BN+Si3N4, ипроцесс «восстановления» керамической структуры, если он действительноимеет место, должен протекать менее интенсивно.

Возможно, этим иобъясняется столь заметное различие коэффициентов распыления двухкомпозитов при средних концентрациях нитрида бора.Разумеется,предположением,приведѐнныетребующимвышерассужденияпроведенияявляютсядополнительныхлишьисследований,связанных с анализом структуры и элементного состава поверхностных слоѐвматериалаипривлечениемметодованалитическойхимии.Подобныеисследование являются отдельной и достаточно масштабной задачей и выходят79за рамки настоящей работы.