Помощь студентам в учебе
МОДИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЦИРКОНИЕВОЙ И АЛЮМООКСИДНОЙ КЕРАМИКИ ИОННЫМИ ПУЧКАМИ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ОБЛУЧЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ
ПОТОКАМИ УСКОРЕННЫХ ИОНОВ 15
1.1 Характеристика и свойства керамики на основе диоксида циркония 15
1.1.1 Кристаллический полиморфизм диоксида циркония 16
1.1.2 Технологические возможности стабилизации диоксида циркония 20
1.1.3 Процесс трансформационного упрочнения циркониевой керамики 24
1.2 Ионное облучение как метод модификации конструкционных материалов 26
1.2.1 Взаимодействие ускоренных ионов с твердым телом 27
1.2.2 Технологические направления применения ионного облучения 33
1.3 Современное состояние и перспективы развития ионного облучения ... 38
1.3.1 Влияние непрерывных ионных пучков на твердые тела 40
1.3.2 Влияние импульсных ионных пучков на твердые тела 49
1.3.3 Влияние быстрых тяжелых ионов на твердые тела 55
1.4 Выводы по главе 1 63
ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 68
2.1 Методология диссертационного исследования 68
2.2 Объекты исследования и методика получения опытных образцов 69
2.3 Методы и методики исследования структуры, фазового состава
и механических свойств оксидной керамики 73
2.4 Режимы воздействия ионных пучков на оксидную керамику 82
ГЛАВА 3. НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ИОННАЯ ОБРАБОТКА
ОКСИДНОЙ КЕРАМИКИ 83
3.1 Методика проведения обработки непрерывными низкоэнергетическими
ионными пучками 83
3.2 Исследование воздействия низкоэнергетической ионной обработки
на циркониевую керамику 85
3.3 Исследование воздействия низкоэнергетической ионной обработки
на алюмооксидную керамику 96
3.4 Выводы по главе 3 101
ГЛАВА 4. СРЕДНЕЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ИОННАЯ ОБРАБОТКА
ОКСИДНОЙ КЕРАМИКИ 104
4.1 Методика проведения обработки импульсными среднеэнергетическими
ионными пучками 104
4.2 Исследование воздействия импульсных ионных пучков на
алюмооксидную керамику 107
4.3 Исследование воздействия интенсивных импульсных ионных пучков
на циркониевую керамику 120
4.4 Выводы по главе 4 125
ГЛАВА 5. ВОЗДЕЙСТВИЕ БЫСТРЫХ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ
НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ ЦИРКОНИЕВОЙ
КЕРАМИКИ 128
5.1 Методика проведения облучения быстрыми тяжелыми ионами 128
5.2 Рентгеновский дифракционный анализ 130
5.3 Просвечивающая электронная микроскопия 134
5.4 Твердость циркониевой керамики 138
5.5 Выводы по главе 5 142
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ПРИМЕНЕНИЮ ИОННОГО
ОБЛУЧЕНИЯ ОКСИДНОЙ КЕРАМИКИ 144
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 149
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 154
СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 156
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 157
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 - ПРОТОКОЛ РЕГИСТРАЦИИ НОУ-ХАУ 179
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 - АКТ О ВНЕДРЕНИИ МАТЕРИАЛОВ
ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ В АО «НПЦ «ПОЛЮС» 180
ГЛАВА 1. ОБЛУЧЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ
ПОТОКАМИ УСКОРЕННЫХ ИОНОВ 15
1.1 Характеристика и свойства керамики на основе диоксида циркония 15
1.1.1 Кристаллический полиморфизм диоксида циркония 16
1.1.2 Технологические возможности стабилизации диоксида циркония 20
1.1.3 Процесс трансформационного упрочнения циркониевой керамики 24
1.2 Ионное облучение как метод модификации конструкционных материалов 26
1.2.1 Взаимодействие ускоренных ионов с твердым телом 27
1.2.2 Технологические направления применения ионного облучения 33
1.3 Современное состояние и перспективы развития ионного облучения ... 38
1.3.1 Влияние непрерывных ионных пучков на твердые тела 40
1.3.2 Влияние импульсных ионных пучков на твердые тела 49
1.3.3 Влияние быстрых тяжелых ионов на твердые тела 55
1.4 Выводы по главе 1 63
ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 68
2.1 Методология диссертационного исследования 68
2.2 Объекты исследования и методика получения опытных образцов 69
2.3 Методы и методики исследования структуры, фазового состава
и механических свойств оксидной керамики 73
2.4 Режимы воздействия ионных пучков на оксидную керамику 82
ГЛАВА 3. НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ИОННАЯ ОБРАБОТКА
ОКСИДНОЙ КЕРАМИКИ 83
3.1 Методика проведения обработки непрерывными низкоэнергетическими
ионными пучками 83
3.2 Исследование воздействия низкоэнергетической ионной обработки
на циркониевую керамику 85
3.3 Исследование воздействия низкоэнергетической ионной обработки
на алюмооксидную керамику 96
3.4 Выводы по главе 3 101
ГЛАВА 4. СРЕДНЕЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ИОННАЯ ОБРАБОТКА
ОКСИДНОЙ КЕРАМИКИ 104
4.1 Методика проведения обработки импульсными среднеэнергетическими
ионными пучками 104
4.2 Исследование воздействия импульсных ионных пучков на
алюмооксидную керамику 107
4.3 Исследование воздействия интенсивных импульсных ионных пучков
на циркониевую керамику 120
4.4 Выводы по главе 4 125
ГЛАВА 5. ВОЗДЕЙСТВИЕ БЫСТРЫХ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ
НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ ЦИРКОНИЕВОЙ
КЕРАМИКИ 128
5.1 Методика проведения облучения быстрыми тяжелыми ионами 128
5.2 Рентгеновский дифракционный анализ 130
5.3 Просвечивающая электронная микроскопия 134
5.4 Твердость циркониевой керамики 138
5.5 Выводы по главе 5 142
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ПРИМЕНЕНИЮ ИОННОГО
ОБЛУЧЕНИЯ ОКСИДНОЙ КЕРАМИКИ 144
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 149
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 154
СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 156
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 157
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 - ПРОТОКОЛ РЕГИСТРАЦИИ НОУ-ХАУ 179
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 - АКТ О ВНЕДРЕНИИ МАТЕРИАЛОВ
ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ В АО «НПЦ «ПОЛЮС» 180
Актуальность темы исследования. Керамические материалы
характеризуются функциональностью свойств (твердость, химическая стойкость, высокая температура плавления и т.д.), доступностью сырья, простотой технологией получения по сравнению с металлами и полимерами. В технике наиболее широко применяются керамики на основе диоксида циркония (ДЦ) и оксида алюминия (ОА). Детали и изделия из ДЦ и ОА являются востребованными на современном рынке керамической продукции. В силу высокой механической прочности и химической устойчивости они часто используются для замены узлов, обычно изготавливаемых из металлов и сплавов. В радиационном материаловедении керамика из ДЦ и ОА считаются одними из наиболее перспективных керамик для использования в качестве инертного матричного топлива, для изготовления емкостей с целью транспортировки и хранения радиоактивных материалов.
Из-за особенностей структуры, фазового строения, механических и теплопроводящих свойств обработка керамики с целью придания необходимых размеров и свойств традиционными методами, например, отжигом в печи сопротивления, механической обработкой, чрезвычайно затруднительна. Применение этих видов обработки, как правило, не эффективно. В этой связи актуальными становятся вопросы управления структурой, свойствами и проведения механической обработки с использованием нетрадиционных методов воздействия. Одним из таких методов является обработка концентрированными потоками (КП) заряженных частиц.
Актуальность диссертационной работы обусловлена перспективами использования КП ускоренных частиц (ионов) с целью поверхностной модификации и создания градиентных структур в керамике для расширения и улучшения их функциональных и эксплуатационных свойств, а также высокими потребностями радиационного материаловедения в керамических материалах с новыми уникальными свойствами в поверхностном слое, который обладает повышенной стойкостью к воздействию ионизирующего излучения. Актуальность темы также подтверждается направленностью на решение одного из важнейших вопросов физики конденсированного состояния - экспериментальное исследование воздействия различных видов излучений на природу изменений физических свойств конденсированных веществ.
Степень разработанности темы исследования. Достижения в области модификации материалов методом воздействия КП ускоренных ионов преимущественно касаются металлов и сплавов. Наиболее существенный вклад в развитие данного направления внесли отечественные ученые Д. И. Тетельбаум, Г. Г. Бондаренко, Ю. П. Шаркеев, В. В. Овчинников, Г. Е. Ремнев,
A. И. Пушкарев, А. И. Рябчиков, А. В. Кабышев, С. И. Коновалов, В. Е. Громов. Среди зарубежных можно выделить П. А. Селищева, ЮАР; Ф. Джурабекову, Финляндия; В. В. Углова, Беларусь; А. Т. Акылбекова, А. И. Купчишина, Казахстан и др.
В последние годы метод воздействия КП ионов стали использовать с целью модификации керамических материалов (С. А. Гынгазов, А. В. Кабышев,
B. А. Скуратов, Е. М. Окс и др.).
Это направление еще только формируется, и исследования носят несистемный характер. Для керамических материалов показана лишь возможность их модификации, без конкретизации физической природы структурной перестройки и изменения свойств. До сих пор оставались неясными вопросы выбора вида и режимов поверхностной обработки для достижения наибольшей эффективности ионного воздействия.
Цель исследования - установление закономерностей структурных и фазовых превращений, эффектов поверхностной модификации оксидной керамики при воздействии ускоренными ионами с энергией от 30 кэВ до 167 МэВ и разработка практических рекомендаций по использованию ионной обработки с целью направленного формирования поверхностных свойств керамических изделий.
Для реализации цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Провести анализ современного состояния и перспектив использования ионной обработки для модификации керамических материалов с целью улучшения их физико-химических свойств.
2. Изучить влияние обработки низкоэнергетическими (30 кэВ) ионами аргона при плотности тока 300 мкА/см2 и 500 мкА/см2 и дозах падающих на поверхность ионов в интервале от 1016 см-2 до 1018 см-2 на структурно-фазовое состояние и механические свойства (микротвердость, модуль упругости) керамик на основе диоксида циркония и оксида алюминия.
3. Исследовать изменения структуры, фазового состава и механических свойств (микротвердость, модуль упругости) керамики на основе оксида алюминия под воздействием пучков среднеэнергетических (200 кэВ) ионов углерода при плотности энергии 0,3—1,5 Дж/см2.
4. Изучить влияние обработки среднеэнергетическими (300 кэВ) ионами азота при плотности энергии 3,6 Дж/см2 и 5 Дж/см2 на структурно-фазовое состояние и механические свойства (микротвердость, модуль упругости) керамики на основе диоксида циркония.
5. Установить влияние пучков высокоэнергетических (167 МэВ) ионов ксенона при плотности тока 3,95 нА/см2 и дозах падающих на поверхность ионов в интервале от 1011 см-2 до 1013 см-2 на структурные и фазовые превращения, изменение механических свойств (микротвердость, модуль упругости) керамики на основе диоксида циркония.
6. Выполнить сравнительный анализ полученных результатов и разработать рекомендации по практическому применению каждого вида ионной обработки для эффективной модификации керамических материалов.
Объектом исследования является керамика, полученная из нанопорошка частично стабилизированного оксидом иттрия (мол. 3 %) диоксида циркония, и керамика из оксида алюминия.
Предмет исследования - физико-химические процессы формирования микроструктуры и свойств керамик на основе диоксида циркония и оксида алюминия при воздействии концентрированных потоков ускоренных ионов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Впервые установлен эффект дальнодействия для оксидной керамики, заключающийся в том, что облучение керамик на основе диоксида циркония и оксида алюминия непрерывными пучками низкоэнергетических ионов аргона при энергии 30 кэВ, плотности тока 300 мкА/см2 и 500 мкА/см2 и дозах падающих на поверхность ионов в интервале от 1016 см-2 до 1018 см-2 приводит к формированию послекаскадных упругих и ударных волн, распространяющихся вглубь материала и инициирующих на своем пути перестройку кристаллической структуры, приводящую к повышению механических характеристик (микротвердость, модуль упругости) на глубине, значительно превышающей величину радиационного внедрения имплантируемых ионов. Эффект аналогичен установленному ранее для металлов и сплавов.
2. Впервые установлено, что облучение керамики на основе оксида алюминия интенсивными импульсными пучками среднеэнергетических ионов углерода при энергии 200 кэВ и плотности энергии 1 Дж/см2 приводит к формированию в поверхностном слое структуры «столбчатого типа», которая характеризуется более мелким размером зерен по сравнению с зернами в объеме керамики. Показано, что сформированная структура «столбчатого типа» повышает микротвердость облученной поверхности до 2,5 раз. Получена керамика с градиентной структурой в поверхностном слое, в котором по мере удаления от поверхности изменяются фазовый состав и механические свойства. Конкретизированы границы параметров импульсного ионного пучка (энергия ионов 200 кэВ, плотность энергии 1 Дж/см2 и 1,5 Дж/см2), обеспечивающие максимальную эффективность модификации керамики. На примере керамики на основе диоксида циркония показано, что повышение плотности энергии ионов азота до 3,5 Дж/см2 и 5 Дж/см2 и энергии до 300 кэВ приводит к резкому плавлению и эрозии поверхности, что приводит к снижению эффективности ионной модификации.
3. Впервые для керамики из частично стабилизированного диоксида циркония (ЧСДЦ) установлено, что облучение быстрыми тяжелыми ионами ксенона при энергии 167 МэВ и дозах падающих на поверхность ионов в интервале от 5-1011 см-2 до 5-1013 см-2 приводит к перестройке кристаллической кислородной подрешетки, которая сопровождается образованием метастабильной нетрансформируемой Г-фазы в облученном слое ЧСДЦ, вследствие чего модифицированный слой обладает повышенными по сравнению с исходным состоянием механическими свойствами. Показано, что облучение быстрыми тяжелыми ионами ксенона с энергией 167 МэВ приводит к формированию поверхностного слоя с градиентной структурой, фазовым составом и механическими свойствами.
Теоретическая и практическая значимость работы. На примере керамик на основе диоксида циркония и оксида алюминия получены новые научные представления о физических процессах, протекающих в оксидной керамике в условиях ионного воздействия в широком энергетическом диапазоне (от 30 кэВ до 167 МэВ), влияющие на структурно-фазовую перестройку и изменение механических свойств.
Предложены режимы модификации и получения поверхностного градиентного слоя как по структуре и фазовому составу, так и по свойствам (механические) в керамике на основе диоксида циркония и оксида алюминия в широком энергетическом спектре и с разными типами ионов. Показано, что поверхностная обработка ионными пучками является эффективным методом изменения структуры и фазового составов поверхностного слоя оксидной керамики. Такая обработка приводит к формированию градиентной структуры в керамике, свойства которой значительно отличаются от свойств необработанной керамики.
Технологические режимы поверхностной обработки, предложенные в исследовании, рекомендованы для реализации мелкосерийных производств изделий из керамики, когда требуемые технические характеристики не могут быть достигнуты при применении традиционных методов керамической технологии.
На примере керамик на основе диоксида циркония и оксида алюминия показано, что такие типы оксидной керамики обладают высокой стойкостью к радиационным (ионизирующим) излучениям.
Метод ионного облучения может быть использован для поверхностного упрочнения и получения градиентных структур с целью расширения областей применения керамики на основе диоксида циркония и оксида алюминия (с. 180 диссертации).
Методология и методы исследования. Основа методологии диссертационной работы заключается в выдвижении и проверке гипотезы о возможной оптимизации параметров и режимов ионной обработки, которые обеспечат условия протекания перестройки структурно-фазового состояния поверхностного слоя, приводящей к повышению эксплуатационных свойств керамических материалов.
В работе использовались следующие ионные ускорители: ИЛМ-1 (УрО РАН, г. Екатеринбург), TЕMР-4M (г. Томск), TЕMР-6 (г. Далянь, Китай), циклотрон ИЦ-100 ЛЯР ОИЯИ (г. Дубна).
В качестве практических и экспериментальных методов, методик применялись: микроструктурный анализ (ИйасЫ TM-3000, .1ЕО1. ARM-200F), рентгенофазовый анализ (ARL X’TRA); механические испытания: измерение нанотвердости и микротвердости (Нано 1пйеп1:ег G200, /viek ZHV1M); измерение электропроводности (двухзондовый метод сопротивления растекания).
Для получения опытных образцов, измерения плотности, пористости и механических свойств использовались стандартные методики, рекомендованные ГОСТ.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Рост сжимающих напряжений в поверхностном слое керамик на основе диоксида циркония и оксида алюминия и одновременное протекание фазовой перестройки Wm в керамике на основе диоксида циркония под действием ионной обработки непрерывными пучками ионов аргона при энергии 30 кэВ, плотности тока 300 мкА/см2 и дозах падающих на поверхность ионов в интервале от 1016 см-2 до 1018 см-2, приводят к увеличению микротвердости на глубине, превышающей средний проективный пробег ионов.
2. Увеличение микротвердости керамик на основе диоксида циркония и оксида алюминия на глубине, превышающей средний проективный пробег ионов аргона, связано с проявлением эффекта дальнодействия.
3. Формирование в поверхностном слое микроструктуры «столбчатого типа» в керамике на основе оксида алюминия в результате процессов плавления и рекристаллизации под действием облучения интенсивными импульсными ионными пучками при энергии 200 кэВ и плотности энергии 1 Дж/см2, приводит к повышению микpoтвеpдocти модифицированного слоя до 2,5 раз.
4. Формирование метастабильной нетрансформируемой Г-фазы вследствие перестройки кристаллической кислородной подрешетки в поверхностном слое керамики из частично стабилизированного диоксида циркония при облучении быстрыми тяжелыми ионами ксенона при энергии 167 МэВ и дозах падающих на поверхность ионов в интервале от 5-1011 см-2 до 5-1013 см-2. В результате чего модифицированный слой обладает повышенными по сравнению с исходным состоянием механическими свойствами.
Личный вклад автора. Результаты исследования, представленные в работе, получены лично автором, а также при его непосредственном участии в исследовании в сотрудничестве с научными коллективами Проблемной научноисследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников Томского политехнического университета, лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна) и Института электрофизики УрО РАН (г. Екатеринбург).
Автором совместно с научным руководителем д.т.н. Гынгазовым С. А. сформулированы цель и задачи работы. Автором лично изготовлены образцы, спланированы и проведены эксперименты, обработаны экспериментальные данные, проведен анализ полученных данных и сделаны выводы. Автор сформулировал основные положения, выносимые на защиту, и выводы диссертационной работы. Автор принимал активное участие в написании статей и грантов.
Достоверность и обоснованность полученных результатов. Степень достоверности полученных автором результатов обеспечивалась за счет использования современных методов исследований на сертифицированном оборудовании; обусловлена большим объемом экспериментальных данных и их статистической обработкой; верификацией экспериментальных данных при помощи сравнения с измерениями, полученными с применением известных общепринятых методов; корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью; сопоставлением установленных в работе закономерностей с фактами, полученными другими исследователями; апробацией на международных научных конференциях; публикацией научных статей в рецензируемых журналах, включая высокорейтинговые журналы, входящие в высокий квартиль.
Апробация работы. Основные результаты исследования были опубликованы в российских и международных научных высокорейтинговых журналах, а также доложены и обсуждены на международных научных конференциях, таких как: 21-st 1п1егпайопа1 сонГегенсе оп ЗигГасе Моййгсайон о Г Ма1епа18 by 1оп Bеаms (г. Томск, 2019); 20-th 1н1егпайопа1 сонГегенсе оп КаФайоп Efforts 1п ТганШога (г. Нур-Султан (г. Астана), Казахстан, 2019); Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР» (г. Томск, 2018, 2019, 2020); Международная
конференция «Радиационная физика твердого тела» (г. Севастополь, 2018, 2020, 2021); Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, 2019); Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (ШТЕВМАТ1С-2018) (г. Москва, 2018) и на двух Всероссийских научных конференциях.
Работы по теме научного исследования поддержаны:
- персональной стипендией имени Ж. И. Алферова для молодых ученых в области физики и нанотехнологий (2021-2022 гг., 2020-2021 гг.);
- стипендией Правительства Российской Федерации для аспирантов и студентов государственных организаций, осуществляющих образовательную деятельность по образовательным программам среднего профессионального образования и высшего образования (2020-2021 гг.).
Работы выполнялись при финансовой поддержке:
- Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания «Наука»: FSWW-2020-0008 (19.0045.ГЗБ.2020) (2020-2022 гг.), (руководитель д.ф.-м.н. Л. Г. Сухих);
- Гранта Программы повышения конкурентоспособности Национального исследовательского Томского политехнического университета: ВИУ-ОКД-210/20 (2020 г.) (руководитель д.ф.-м.н. А. П. Суржиков);
- Гранта Программы повышения конкурентоспособности Национального
исследовательского Томского политехнического университета: ВИУ-
ПНИЛ ЭДИП-76/2019 (2019 г.), (руководитель д.т.н. С. А. Гынгазов);
- Российского научного фонда (РНФ): РНФ №17-19-01082 (2017-2019 гг.), (руководитель д.т.н. С. А. Гынгазов).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, из которых 4 публикации в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией, 8 публикаций в журналах, входящих в базы данных Sсорus и Wеb о1' Sсiеnсе (из них 4, входящие в первый и второй квартиль), 15 публикаций в сборниках трудов конференций; 1 результат интеллектуальной деятельности (Кио» 1Ю« (ноу-хау)).
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пунктам 3 «Экспериментальное исследование воздействия различных видов излучений: высокотемпературной плазмы на природу изменений физических свойств конденсированных веществ», и 6 «Установление закономерностей влияния технологии получения и обработки материалов на их структуру, механические, химические и физические свойства, а также технологические свойства изделий, предназначенных для использования в различных областях промышленности и медицины» паспорта специальности 1.3.8 - «Физика конденсированного состояния», технические науки.
Структура и объем работы. Диссертация представлена на 180 страницах машинописного текста и включает в себя введение, пять глав, основные выводы, заключение, список сокращений и условных обозначений, список используемой литературы, приложения. Диссертационная работа содержит 55 рисунка, 17 таблиц; список литературы, состоящий из 190 наименований.
характеризуются функциональностью свойств (твердость, химическая стойкость, высокая температура плавления и т.д.), доступностью сырья, простотой технологией получения по сравнению с металлами и полимерами. В технике наиболее широко применяются керамики на основе диоксида циркония (ДЦ) и оксида алюминия (ОА). Детали и изделия из ДЦ и ОА являются востребованными на современном рынке керамической продукции. В силу высокой механической прочности и химической устойчивости они часто используются для замены узлов, обычно изготавливаемых из металлов и сплавов. В радиационном материаловедении керамика из ДЦ и ОА считаются одними из наиболее перспективных керамик для использования в качестве инертного матричного топлива, для изготовления емкостей с целью транспортировки и хранения радиоактивных материалов.
Из-за особенностей структуры, фазового строения, механических и теплопроводящих свойств обработка керамики с целью придания необходимых размеров и свойств традиционными методами, например, отжигом в печи сопротивления, механической обработкой, чрезвычайно затруднительна. Применение этих видов обработки, как правило, не эффективно. В этой связи актуальными становятся вопросы управления структурой, свойствами и проведения механической обработки с использованием нетрадиционных методов воздействия. Одним из таких методов является обработка концентрированными потоками (КП) заряженных частиц.
Актуальность диссертационной работы обусловлена перспективами использования КП ускоренных частиц (ионов) с целью поверхностной модификации и создания градиентных структур в керамике для расширения и улучшения их функциональных и эксплуатационных свойств, а также высокими потребностями радиационного материаловедения в керамических материалах с новыми уникальными свойствами в поверхностном слое, который обладает повышенной стойкостью к воздействию ионизирующего излучения. Актуальность темы также подтверждается направленностью на решение одного из важнейших вопросов физики конденсированного состояния - экспериментальное исследование воздействия различных видов излучений на природу изменений физических свойств конденсированных веществ.
Степень разработанности темы исследования. Достижения в области модификации материалов методом воздействия КП ускоренных ионов преимущественно касаются металлов и сплавов. Наиболее существенный вклад в развитие данного направления внесли отечественные ученые Д. И. Тетельбаум, Г. Г. Бондаренко, Ю. П. Шаркеев, В. В. Овчинников, Г. Е. Ремнев,
A. И. Пушкарев, А. И. Рябчиков, А. В. Кабышев, С. И. Коновалов, В. Е. Громов. Среди зарубежных можно выделить П. А. Селищева, ЮАР; Ф. Джурабекову, Финляндия; В. В. Углова, Беларусь; А. Т. Акылбекова, А. И. Купчишина, Казахстан и др.
В последние годы метод воздействия КП ионов стали использовать с целью модификации керамических материалов (С. А. Гынгазов, А. В. Кабышев,
B. А. Скуратов, Е. М. Окс и др.).
Это направление еще только формируется, и исследования носят несистемный характер. Для керамических материалов показана лишь возможность их модификации, без конкретизации физической природы структурной перестройки и изменения свойств. До сих пор оставались неясными вопросы выбора вида и режимов поверхностной обработки для достижения наибольшей эффективности ионного воздействия.
Цель исследования - установление закономерностей структурных и фазовых превращений, эффектов поверхностной модификации оксидной керамики при воздействии ускоренными ионами с энергией от 30 кэВ до 167 МэВ и разработка практических рекомендаций по использованию ионной обработки с целью направленного формирования поверхностных свойств керамических изделий.
Для реализации цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Провести анализ современного состояния и перспектив использования ионной обработки для модификации керамических материалов с целью улучшения их физико-химических свойств.
2. Изучить влияние обработки низкоэнергетическими (30 кэВ) ионами аргона при плотности тока 300 мкА/см2 и 500 мкА/см2 и дозах падающих на поверхность ионов в интервале от 1016 см-2 до 1018 см-2 на структурно-фазовое состояние и механические свойства (микротвердость, модуль упругости) керамик на основе диоксида циркония и оксида алюминия.
3. Исследовать изменения структуры, фазового состава и механических свойств (микротвердость, модуль упругости) керамики на основе оксида алюминия под воздействием пучков среднеэнергетических (200 кэВ) ионов углерода при плотности энергии 0,3—1,5 Дж/см2.
4. Изучить влияние обработки среднеэнергетическими (300 кэВ) ионами азота при плотности энергии 3,6 Дж/см2 и 5 Дж/см2 на структурно-фазовое состояние и механические свойства (микротвердость, модуль упругости) керамики на основе диоксида циркония.
5. Установить влияние пучков высокоэнергетических (167 МэВ) ионов ксенона при плотности тока 3,95 нА/см2 и дозах падающих на поверхность ионов в интервале от 1011 см-2 до 1013 см-2 на структурные и фазовые превращения, изменение механических свойств (микротвердость, модуль упругости) керамики на основе диоксида циркония.
6. Выполнить сравнительный анализ полученных результатов и разработать рекомендации по практическому применению каждого вида ионной обработки для эффективной модификации керамических материалов.
Объектом исследования является керамика, полученная из нанопорошка частично стабилизированного оксидом иттрия (мол. 3 %) диоксида циркония, и керамика из оксида алюминия.
Предмет исследования - физико-химические процессы формирования микроструктуры и свойств керамик на основе диоксида циркония и оксида алюминия при воздействии концентрированных потоков ускоренных ионов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Впервые установлен эффект дальнодействия для оксидной керамики, заключающийся в том, что облучение керамик на основе диоксида циркония и оксида алюминия непрерывными пучками низкоэнергетических ионов аргона при энергии 30 кэВ, плотности тока 300 мкА/см2 и 500 мкА/см2 и дозах падающих на поверхность ионов в интервале от 1016 см-2 до 1018 см-2 приводит к формированию послекаскадных упругих и ударных волн, распространяющихся вглубь материала и инициирующих на своем пути перестройку кристаллической структуры, приводящую к повышению механических характеристик (микротвердость, модуль упругости) на глубине, значительно превышающей величину радиационного внедрения имплантируемых ионов. Эффект аналогичен установленному ранее для металлов и сплавов.
2. Впервые установлено, что облучение керамики на основе оксида алюминия интенсивными импульсными пучками среднеэнергетических ионов углерода при энергии 200 кэВ и плотности энергии 1 Дж/см2 приводит к формированию в поверхностном слое структуры «столбчатого типа», которая характеризуется более мелким размером зерен по сравнению с зернами в объеме керамики. Показано, что сформированная структура «столбчатого типа» повышает микротвердость облученной поверхности до 2,5 раз. Получена керамика с градиентной структурой в поверхностном слое, в котором по мере удаления от поверхности изменяются фазовый состав и механические свойства. Конкретизированы границы параметров импульсного ионного пучка (энергия ионов 200 кэВ, плотность энергии 1 Дж/см2 и 1,5 Дж/см2), обеспечивающие максимальную эффективность модификации керамики. На примере керамики на основе диоксида циркония показано, что повышение плотности энергии ионов азота до 3,5 Дж/см2 и 5 Дж/см2 и энергии до 300 кэВ приводит к резкому плавлению и эрозии поверхности, что приводит к снижению эффективности ионной модификации.
3. Впервые для керамики из частично стабилизированного диоксида циркония (ЧСДЦ) установлено, что облучение быстрыми тяжелыми ионами ксенона при энергии 167 МэВ и дозах падающих на поверхность ионов в интервале от 5-1011 см-2 до 5-1013 см-2 приводит к перестройке кристаллической кислородной подрешетки, которая сопровождается образованием метастабильной нетрансформируемой Г-фазы в облученном слое ЧСДЦ, вследствие чего модифицированный слой обладает повышенными по сравнению с исходным состоянием механическими свойствами. Показано, что облучение быстрыми тяжелыми ионами ксенона с энергией 167 МэВ приводит к формированию поверхностного слоя с градиентной структурой, фазовым составом и механическими свойствами.
Теоретическая и практическая значимость работы. На примере керамик на основе диоксида циркония и оксида алюминия получены новые научные представления о физических процессах, протекающих в оксидной керамике в условиях ионного воздействия в широком энергетическом диапазоне (от 30 кэВ до 167 МэВ), влияющие на структурно-фазовую перестройку и изменение механических свойств.
Предложены режимы модификации и получения поверхностного градиентного слоя как по структуре и фазовому составу, так и по свойствам (механические) в керамике на основе диоксида циркония и оксида алюминия в широком энергетическом спектре и с разными типами ионов. Показано, что поверхностная обработка ионными пучками является эффективным методом изменения структуры и фазового составов поверхностного слоя оксидной керамики. Такая обработка приводит к формированию градиентной структуры в керамике, свойства которой значительно отличаются от свойств необработанной керамики.
Технологические режимы поверхностной обработки, предложенные в исследовании, рекомендованы для реализации мелкосерийных производств изделий из керамики, когда требуемые технические характеристики не могут быть достигнуты при применении традиционных методов керамической технологии.
На примере керамик на основе диоксида циркония и оксида алюминия показано, что такие типы оксидной керамики обладают высокой стойкостью к радиационным (ионизирующим) излучениям.
Метод ионного облучения может быть использован для поверхностного упрочнения и получения градиентных структур с целью расширения областей применения керамики на основе диоксида циркония и оксида алюминия (с. 180 диссертации).
Методология и методы исследования. Основа методологии диссертационной работы заключается в выдвижении и проверке гипотезы о возможной оптимизации параметров и режимов ионной обработки, которые обеспечат условия протекания перестройки структурно-фазового состояния поверхностного слоя, приводящей к повышению эксплуатационных свойств керамических материалов.
В работе использовались следующие ионные ускорители: ИЛМ-1 (УрО РАН, г. Екатеринбург), TЕMР-4M (г. Томск), TЕMР-6 (г. Далянь, Китай), циклотрон ИЦ-100 ЛЯР ОИЯИ (г. Дубна).
В качестве практических и экспериментальных методов, методик применялись: микроструктурный анализ (ИйасЫ TM-3000, .1ЕО1. ARM-200F), рентгенофазовый анализ (ARL X’TRA); механические испытания: измерение нанотвердости и микротвердости (Нано 1пйеп1:ег G200, /viek ZHV1M); измерение электропроводности (двухзондовый метод сопротивления растекания).
Для получения опытных образцов, измерения плотности, пористости и механических свойств использовались стандартные методики, рекомендованные ГОСТ.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Рост сжимающих напряжений в поверхностном слое керамик на основе диоксида циркония и оксида алюминия и одновременное протекание фазовой перестройки Wm в керамике на основе диоксида циркония под действием ионной обработки непрерывными пучками ионов аргона при энергии 30 кэВ, плотности тока 300 мкА/см2 и дозах падающих на поверхность ионов в интервале от 1016 см-2 до 1018 см-2, приводят к увеличению микротвердости на глубине, превышающей средний проективный пробег ионов.
2. Увеличение микротвердости керамик на основе диоксида циркония и оксида алюминия на глубине, превышающей средний проективный пробег ионов аргона, связано с проявлением эффекта дальнодействия.
3. Формирование в поверхностном слое микроструктуры «столбчатого типа» в керамике на основе оксида алюминия в результате процессов плавления и рекристаллизации под действием облучения интенсивными импульсными ионными пучками при энергии 200 кэВ и плотности энергии 1 Дж/см2, приводит к повышению микpoтвеpдocти модифицированного слоя до 2,5 раз.
4. Формирование метастабильной нетрансформируемой Г-фазы вследствие перестройки кристаллической кислородной подрешетки в поверхностном слое керамики из частично стабилизированного диоксида циркония при облучении быстрыми тяжелыми ионами ксенона при энергии 167 МэВ и дозах падающих на поверхность ионов в интервале от 5-1011 см-2 до 5-1013 см-2. В результате чего модифицированный слой обладает повышенными по сравнению с исходным состоянием механическими свойствами.
Личный вклад автора. Результаты исследования, представленные в работе, получены лично автором, а также при его непосредственном участии в исследовании в сотрудничестве с научными коллективами Проблемной научноисследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников Томского политехнического университета, лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна) и Института электрофизики УрО РАН (г. Екатеринбург).
Автором совместно с научным руководителем д.т.н. Гынгазовым С. А. сформулированы цель и задачи работы. Автором лично изготовлены образцы, спланированы и проведены эксперименты, обработаны экспериментальные данные, проведен анализ полученных данных и сделаны выводы. Автор сформулировал основные положения, выносимые на защиту, и выводы диссертационной работы. Автор принимал активное участие в написании статей и грантов.
Достоверность и обоснованность полученных результатов. Степень достоверности полученных автором результатов обеспечивалась за счет использования современных методов исследований на сертифицированном оборудовании; обусловлена большим объемом экспериментальных данных и их статистической обработкой; верификацией экспериментальных данных при помощи сравнения с измерениями, полученными с применением известных общепринятых методов; корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью; сопоставлением установленных в работе закономерностей с фактами, полученными другими исследователями; апробацией на международных научных конференциях; публикацией научных статей в рецензируемых журналах, включая высокорейтинговые журналы, входящие в высокий квартиль.
Апробация работы. Основные результаты исследования были опубликованы в российских и международных научных высокорейтинговых журналах, а также доложены и обсуждены на международных научных конференциях, таких как: 21-st 1п1егпайопа1 сонГегенсе оп ЗигГасе Моййгсайон о Г Ма1епа18 by 1оп Bеаms (г. Томск, 2019); 20-th 1н1егпайопа1 сонГегенсе оп КаФайоп Efforts 1п ТганШога (г. Нур-Султан (г. Астана), Казахстан, 2019); Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР» (г. Томск, 2018, 2019, 2020); Международная
конференция «Радиационная физика твердого тела» (г. Севастополь, 2018, 2020, 2021); Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, 2019); Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (ШТЕВМАТ1С-2018) (г. Москва, 2018) и на двух Всероссийских научных конференциях.
Работы по теме научного исследования поддержаны:
- персональной стипендией имени Ж. И. Алферова для молодых ученых в области физики и нанотехнологий (2021-2022 гг., 2020-2021 гг.);
- стипендией Правительства Российской Федерации для аспирантов и студентов государственных организаций, осуществляющих образовательную деятельность по образовательным программам среднего профессионального образования и высшего образования (2020-2021 гг.).
Работы выполнялись при финансовой поддержке:
- Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания «Наука»: FSWW-2020-0008 (19.0045.ГЗБ.2020) (2020-2022 гг.), (руководитель д.ф.-м.н. Л. Г. Сухих);
- Гранта Программы повышения конкурентоспособности Национального исследовательского Томского политехнического университета: ВИУ-ОКД-210/20 (2020 г.) (руководитель д.ф.-м.н. А. П. Суржиков);
- Гранта Программы повышения конкурентоспособности Национального
исследовательского Томского политехнического университета: ВИУ-
ПНИЛ ЭДИП-76/2019 (2019 г.), (руководитель д.т.н. С. А. Гынгазов);
- Российского научного фонда (РНФ): РНФ №17-19-01082 (2017-2019 гг.), (руководитель д.т.н. С. А. Гынгазов).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, из которых 4 публикации в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией, 8 публикаций в журналах, входящих в базы данных Sсорus и Wеb о1' Sсiеnсе (из них 4, входящие в первый и второй квартиль), 15 публикаций в сборниках трудов конференций; 1 результат интеллектуальной деятельности (Кио» 1Ю« (ноу-хау)).
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пунктам 3 «Экспериментальное исследование воздействия различных видов излучений: высокотемпературной плазмы на природу изменений физических свойств конденсированных веществ», и 6 «Установление закономерностей влияния технологии получения и обработки материалов на их структуру, механические, химические и физические свойства, а также технологические свойства изделий, предназначенных для использования в различных областях промышленности и медицины» паспорта специальности 1.3.8 - «Физика конденсированного состояния», технические науки.
Структура и объем работы. Диссертация представлена на 180 страницах машинописного текста и включает в себя введение, пять глав, основные выводы, заключение, список сокращений и условных обозначений, список используемой литературы, приложения. Диссертационная работа содержит 55 рисунка, 17 таблиц; список литературы, состоящий из 190 наименований.
Выполнено облучение в непрерывном режиме низкоэнергетическими (30 кэВ) ионами аргона при плотности ионного тока 300 мкА-см-2 и 500 мкА-см-2 и дозах падающих на поверхность ионов в интервале от 1016 см-2 до 1018 см-2, импульсными среднеэнергетическими (200 кэВ) ионными пучками углерода при плотности ионного тока 15, 50 и 85 А-см-2 и плотности энергии 0,3—1,5 Дж/см2, и ионными пучками азота (300 кэВ) при плотности ионного тока 150-200 А-см-2 и плотности энергии 3,6 ± 5 % Дж/см2 и 5 ± 5 % Дж/см2, а также высокоэнергетическими (167 МэВ) ионами ксенона при плотности ионного тока 3,95 нА-см-2 и дозах падающих на поверхность ионов в интервале от 1011 см-2 до 1013 см-2 керамик из частично стабилизированного диоксида циркония и оксида алюминия. Исследованы морфология, фазовое состояние и механические свойства (микротвердость, модуль упругости).
В результате исследования подтверждена гипотеза о возможности эффективной модификации керамики благодаря ионной обработке, что позволило найти решение проблем, выявленных в ходе анализа теории и практики модифицирования поверхностного слоя керамических материалов при ионнопучковом воздействии.
Получены новые научные представления о физических процессах, протекающих в условиях ионного воздействия в энергетическом диапазоне от 30 кэВ до 167 МэВ, влияющих на модификацию морфологии, фазовую перестройку и изменение механических свойств в оксидной керамике.
Показано, что поверхностная обработка как непрерывными, так и импульсными ионными пучками является эффективным методом модификации поверхностного слоя оксидной керамики. Такая обработка приводит к формированию поверхностного градиентного слоя с изменяющимися по мере удаления от поверхности структурой, фазовым составом и механическими (микротвердость, модуль упругости) свойствами.
Предложенные в исследовании технологические приемы поверхностной обработки рекомендованы для реализации мелкосерийных производств изделий из керамики, когда требуемые технические характеристики не могут быть достигнуты при применении традиционных методов керамической технологии (корректировка размеров, очищение или придание рельефности поверхности, упрочнение поверхностного слоя). Кроме того, на примере частично стабилизированного диоксида циркония и оксида алюминия показано, что данные типы оксидной керамики обладают повышенной стойкостью к воздействию радиационного (ионизирующего) излучения.
Отработанные технологические подходы позволят изготавливать керамику на основе диоксида циркония и оксида алюминия с эксплуатационными и функциональными свойствами, соответствующими требованиям, которые предъявляются в зависимости от их назначения. В частности, это может быть керамика с развитой поверхностью для каталитических и адсорбционных применений или, например, керамика с улучшенными механическими характеристиками, применяемая в ускорительной технике, атомной энергетике или космических технологиях.
Автор диссертационной работы выражает признательность и благодарность своему научному руководителю - доктору технических наук, профессору Национального исследовательского Томского политехнического университета С. А. Гынгазову - за руководство работой и профессиональную помощь при проведении диссертационного исследования, за значимые замечания и важные рекомендации при оформлении диссертации; а также научным коллективам из НИ ТПУ (г. Томск), Института электрофизики УрО РАН (г. Екатеринбург) и Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна) за проведение экспериментов и техническую помощь при выполнении исследовательских работ.
В результате исследования подтверждена гипотеза о возможности эффективной модификации керамики благодаря ионной обработке, что позволило найти решение проблем, выявленных в ходе анализа теории и практики модифицирования поверхностного слоя керамических материалов при ионнопучковом воздействии.
Получены новые научные представления о физических процессах, протекающих в условиях ионного воздействия в энергетическом диапазоне от 30 кэВ до 167 МэВ, влияющих на модификацию морфологии, фазовую перестройку и изменение механических свойств в оксидной керамике.
Показано, что поверхностная обработка как непрерывными, так и импульсными ионными пучками является эффективным методом модификации поверхностного слоя оксидной керамики. Такая обработка приводит к формированию поверхностного градиентного слоя с изменяющимися по мере удаления от поверхности структурой, фазовым составом и механическими (микротвердость, модуль упругости) свойствами.
Предложенные в исследовании технологические приемы поверхностной обработки рекомендованы для реализации мелкосерийных производств изделий из керамики, когда требуемые технические характеристики не могут быть достигнуты при применении традиционных методов керамической технологии (корректировка размеров, очищение или придание рельефности поверхности, упрочнение поверхностного слоя). Кроме того, на примере частично стабилизированного диоксида циркония и оксида алюминия показано, что данные типы оксидной керамики обладают повышенной стойкостью к воздействию радиационного (ионизирующего) излучения.
Отработанные технологические подходы позволят изготавливать керамику на основе диоксида циркония и оксида алюминия с эксплуатационными и функциональными свойствами, соответствующими требованиям, которые предъявляются в зависимости от их назначения. В частности, это может быть керамика с развитой поверхностью для каталитических и адсорбционных применений или, например, керамика с улучшенными механическими характеристиками, применяемая в ускорительной технике, атомной энергетике или космических технологиях.
Автор диссертационной работы выражает признательность и благодарность своему научному руководителю - доктору технических наук, профессору Национального исследовательского Томского политехнического университета С. А. Гынгазову - за руководство работой и профессиональную помощь при проведении диссертационного исследования, за значимые замечания и важные рекомендации при оформлении диссертации; а также научным коллективам из НИ ТПУ (г. Томск), Института электрофизики УрО РАН (г. Екатеринбург) и Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна) за проведение экспериментов и техническую помощь при выполнении исследовательских работ.
