Важнейшие результаты научных исследований // 2001-2004

Впервые предложена концепция развития науки о материалах по четырем основополагающим идеям с последовательной сменой парадигм и определено их содержание. Сформулировано и обосновано новое представление науки о материалах и предложено ее название - материалогия.

Основной целью материалогии является разработка принципов создания, получения и обработки материалов с заданными свойствами, начиная от минерального сырья и кончая готовой продукцией, обозначены ее основные разделы. Разработаны принципы и методология нового научного направления в материаловедении - минералогического материаловедения.

Проведен анализ развития наук о материалах с древнейших времен и до настоящего времени, становление и развитие которых связано с формированием двух основных идей - познавательной и практической, из которых можно предложить закон непрерывного повышения уровня свойств материалов и их разнообразие. Предложена иерархия парадигм, определяющая основные этапы развития материаловедения. Новым этапом в создании материалов стало положение об изменении свойств за счет преимущественного изменения структуры, что может осуществляться только через технологию (парадигма Самсонова). Создание мелкокристаллической, аморфной, слоистой, фрактальной, наноструктур, а в дальнейшем и конструирование материалов по заданной программе из отдельных атомов определяют современное направление развития материаловедения.

Публикации

1. Верхотуров А.Д. Основные идеи и парадигмы развития материаловедения. Ч.1 // Химическая технология, 2001. №8. С.2-10.
2. Верхотуров А.Д. Основные идеи и парадигмы развития материаловедения. Ч.2 // Химическая технология, 2001. №9. С.2-7.
3. Верхотуров А.Д. К вопросу становления и развития материаловедения (основные идеи и парадигмы) // Вестник ДВО РАН, 2001. № 1.С.3-18.
4. Верхотуров А.Д. Минералогическое материаловедение как раздел науки о материалах. Ч.1 // Химическая технология, 2002. №6. С.2-9.
5. Прядко Л.Ф., Верхотуров А.Д., Ристич М.М., Куницкий Ю.А. Конфигурационная модель вещества (КМВ) в свете современной электронной теории // Вестник ДВО, 2003. №2. С.169-172.
6. Верхотуров А.Д. Материалогия // Вестник ДВО РАН, 2004. №5. С.80-85.
7. Верхотуров А.Д., Фадеев В.С.Некоторые вопросы современного состояния и перспективы развития материаловедения. Дальнаука, 2004. 320 с.

Предложена и обоснована физическая модель строения инструментального материала (ИМ) с градиентом свойств по глубине поверхностного слоя, состоящая из трех основных слоев и обеспечивающая плавное изменение свойств от режущей кромки вглубь материала: повышение теплопроводности и модуля упругости Е, уменьшение коэффициента термического расширения (рис.). Такая структура повышает адгезионное взаимодействие покрытия с основой, способствует снижению рабочей температуры режущей кромки, что препятствует уменьшению ее твердости, снижает термические напряжения, усталостное и хрупкое разрушение режущего инструмента, а в целом повышает работоспособность.

Публикации

1. Фадеев В.С., Верхотуров А.Д., Емельянов Е.Н. Разработка и исследование материала инструментального назначения с поверхностных градиентом упругих свойств. // Перспективные материалы, 2003. №1. С.73- 80.
2. Fadeev V.S., Verkhoturov A.D., Emelyanov E.N.. Development and examination of tool material with a surface gradient of elastic properties // Journal of Advanced Materials. 2003. №10 (1). P. 82-90.
3. Фадеев В.С., Верхотуров А. Д., Чигрин Ю.Л. и др. Разработка и создание слоистых материалов инструментального назначения с заданным градиентом свойств // Перспективные материалы, 2004. №5. С.45-52.
4. Верхотуров А.Д., Фадеев В.С., Ершова Т.Б., Бару Л.Л. Разработка принципов создания и получения слоистых материалов с заданным градиентом свойств при упрочнении и легировании режущего инструмента // Труды II Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата: Пленарные доклады. Якутск: ЯФГУ "Издательство СО РАН", 2004. С.166-177.

Разработаны методологические основы получения новых сварочно-наплавочных материалов из минерального сырья Дальневосточного региона с прогнозируемыми физико-химическими и эксплуатационными свойствами. Методика базируется на феноменологическом анализе системы, в которой легирующая ванна представляет собой множество химически активных компонентов, находящихся между собой в тесной взаимосвязи, т. е. влияние компонентов шлаковой системы на свойства получаемого материала рассматривается комплексно. Разработаны и получены экономичные керамические флюсы и покрытия электродов Разработана технология получения сварочных электродов с основной обмазкой из минерального сырья Дальневосточного региона.

Публикации

1. Бабенко Э.Г., Верхотуров А.Д. Разработка новых сварочных материалов на основе минерального сырья Дальневосточного региона. Владивосток: Дальнаука, 2000. 153 с.
2. Верхотуров А.Д., Бабенко Э.Г., Кузьмичев Е. Разработка и исследование легированных сталей, полученных электрошлаковым переплавом низкоуглеродистой стали с использованием минеральных ассоциаций // Перспективные материалы, 2003. С.67-72.
3. Бабенко Э.Г., Верхотуров А.Д., Лукьянчук А.В. Создание новых покрытий электродов из минерального сырья для формирования наплавленного металла, легированного вольфрамом // Перспективные материалы, 2004. №3. С.82-88.
4. Бабенко Э.Г., Верхотуров А.Д., Григоренко В.Г. Основные аспекты транспортного минералогического материаловедения._Владивосток: ДВО РАН, 2004. 224 с. ISBN5-7442-1368-6

Впервые проведено исследование формирования поверхностного слоя при комбинированной обработке металлических материалов (электроискровое легирование + наплавка) в зависимости от состава, структуры и свойств легированных электродов. Показано, что при этом наблюдается аномальная диффузия элементов легированного слоя, например, вольф-рама и углерода, в наплавленный слой, что приводит к повышению его твердости, износо-стойкости, жаростойкости.

Публикации

1. Мулин Ю.И., Климова Л.А.,. Ярков Д.В. Феноменологическое описание закономерностей формирования поверхностного слоя при электроискровом легировании // Физика и химия обработки материалов, 2000. №3. С.50-56.
2. Мулин Ю.И. , Климова Л.А., Дмитриев Д.А., Власенко В.Д. Определение технологических параметров процесса электроискрового легирования для образования заданной толщины покрытия. // Электронная обработка материалов, 2002. №3. С.19-24
3. Мулин Ю.И., Метлицкая Л.П., Климова Л.А., Потапова Н.М. К вопросу обработки результатов, полученных для оценки жаростойкости вольфрамсодержащих покрытий // Заводская лаборатория, 2002. №3.С.59-63.
4. Верхотуров А.Д., Мулин Ю.И. исследование поверхностного слоя после электроискрового легирования новыми электродными материалами, полученными из минерального сырья // Перспективные материалы, 2002. №4. С.84-90.
5. Мулин Ю.И., Вишневский А.Н. и др. Восстановление и упрочнение матриц для прессования алюминиевых профилей методом электроискрового легирования // Физика и химия обработки материалов, 2002. №4. С. 82 - 89.
6. Верхотуров А.Д., Мулин Ю.И., Вишневский А.Н. Восстановление и упрочнение матриц для прессования алюминиевых профилей методом электроискрового легирования // Физика и химия обработки материалов, 2002. №4. С. 82 - 89
7. Верхотуров А. Д., Мулин Ю. И., Власенко В. Д., Повышение износостойкости покрытий за счет формирования специальной микрогеометрии поверхности при электроискровом легировании // Физика и химия обработки материалов, 2003. № 2. С.70-75.
8. Верхотуров А. Д., Мулин Ю. И., Климова Л. А. Упрочнение поверхностей электроискровым легированием порошковыми материалами из минерального сырья // Электронная обработка материалов, 2003. № 2. С. 30 -33.
9. Верхотуров А.Д., Мулин Ю.И., Козырь А.В. и др. Влияние режимов электроискрового легирования и электродных материалов на структуру и износостойкость покрытий // Электронная обработка материалов. Академия наук Молдовы, 2004. №3. С.17-22.

Разработаны алгоритм и программа численного моделирования превращения веществ для отдельных стадий гетерогенных топохимических процессов, протекающих в изобарно- изотермических условиях. Проведены экспериментальные исследования кинетики восстановления углеродом механических смесей, включающих пары оксидов MoO₃ , WO₃ , Co₃O₄ , NiO и соединений шпинельного типа Me(I)Me(II)O₄, где Me(I) - Co, Ni, Me(II) - Mo, W. Сделан детальный анализ неизотермических твердофазной и газофазной стадий взаимодействия NiWO₄ и CoWO₄ с углеродом, определены последовательность образования фаз, модельные макромеханизмы и параметры скорости реакций. Выявлены температурные интервалы, последовательность и кинетические параметры восстановительных реакций в системах. Результаты могут быть использованы для оптимизации температурно-временных режимов получения интерметаллидов и сложных карбидов при восстановлении бинарных оксидов вольфрама.

Публикации

1. Плутенко А.Д., Верхотуров А.Д., Лебухова Н.В. Информационные технологии в решении задач материаловедения. Владивосток: Дальнаука, 2001. 142 с.
2. Верхотуров А.Д., Бутуханов В.Л., Ершова Т.Б., Лебухова Н.В. Физико-химические основы получения порошковых материалов из вольфрам- и борсодержащего минерального сырья. Владивосток: Дальнаука, 2001. 105 с.
3. Лебухова Н.В., Верхотуров А.Д., Петров С.А., Потапова Н.М., Столярова Н.С. Кинетика процесса углетермического восстановления оксида молибдена // Химическая технология, 2002. № 9. С.10-13.
4. Лебухова Н.В., Карпович Н.Ф., Чибисов А.Н., Астапова Е.С., Усков М.В., Стукова Е.В. Численное моделирование изотермической кинетики восстановления триоксида вольфрама // Информатика и системы управления, 2002. № 2
5. Лебухова Н.В., Верхотуров А.Д., Аблесимов Н.Е. , Карпович Н.Ф. Моделирование кинетики процессов восстановления углеродом вольфраматов никеля и кобальта // Исследовано в России, 2004. № 216. С. 2283-2292

Экспериментально установлено, что протекание низковольтных электрических разрядов длительностью 100-2000 мкс между металлическим острием и металлической фольгой (из меди, никеля, молибдена, ниобия, толщиной 50-200 мкм), приводит к эрозионному разрушению поверхности и перекристаллизации металлической фольги в результате оплавления, причем размеры оплавленной зоны увеличиваются с увеличением длительности разряда при одинаковой мощности импульса. На основе анализа распределения переходных металлов по глубине покрытий, полученных на тантале методом электроискрового легирования, установлено, что проникновение материала анода в основу катода происходит преимущест-венно в жидкой фазе. Результаты могут быть использованы для усовершенствования технологии модификации поверхности металлов при электроискровом воздействии.

Рис. Зависимость коэффициента взаимной диффузии, для системы переходной металл - тантал, от концентрации легирующего металла: а) Mo; б) W; 1 - 0,06 Дж; 200 мкс; 2 - 0,08 Дж; 50 мкс.

Публикации

1. С.А. Пячин, В.Г. Заводинский, А.А. Гниденко, Ю.А. Чебиряк. Оценка коэффициентов взаимной диффузии переходных металлов при электроискровом легировании тантала // Физика и химия обработки материала, 2004. № 3. С. 59-65.
2. Пячин С.А., Химухин С.Н., Маслов Б.Я., Пугачевский М.А. Установка для исследования электрических и оптических параметров импульсных искровых разрядов // Измерительная техника, 2003, № 8. С. 45-49.
3. С.А. Пячин, Н.Е. Аблесимов, Д.Л Ягодзинский, О зависимости изменения массы электродов от времени при электроискровом легировании // Электронная обработка материалов, № 6, 2002.
4. Верхотуров А.Д., Аблесимов Н.Е., Пячин С.А. Развитие метода элекроискрового легирования в институте материаловедения ДВО РАН // Электронная обработка материалов. 2000, №5, С. 41-49.

С помощью квантово-механических расчетов установлено, что стабильность керамик на основе диоксида циркония зависит от стабильности кислородной подрешетки, которая имеет тенденцию к спонтанной утрате кубической симметрии под действием случайных смещений атомов кислорода. Примеси (Mg, Ca, Y) стабилизируют решетку диоксида циркония за счет искажения неустойчивой кубической подрешетки кислорода и превращения ее в устойчивую некубическую. Расчеты показали, что кислородные вакансии, образовавшиеся вблизи примесных ионов, не активны для диффузии кислорода, однако они способствуют возникновению активных кислородных вакансий, окруженных ионами циркония. Миграция активных вакансий определяет ионную проводимость (рис.4 и 5). Таким образом, диффузия ионов кислорода в стабилизированном диоксиде циркония представляет собой двухступен-чатый процесс с суммарной энергией активации, равной 1.0-1.5 эВ.

Рис.1 Формирование кислородной вакансии вблизи примесного атома Mg
	Рис.2 Схема механизма ионной проводимости в диоксиде циркония, стабилизированном примесями. 1) Формирование активной кислородной вакансий за счет перехода атома кислорода из окружения Zr к окружению Mg. 2) Миграция ионов кислорода из одной активной вакансии в другую.

Исследована атомная и электронная структура стехиометрических наночастиц Zr₆O₁₂, представляющих собой фрагменты решетки массивного ZrO₂. Расчеты показали, что равновесная геометрия данных частиц представляет собой несколько искаженную тетраэдрическую структуру (рис.3) и может быть выражена через геометрию призмы, построенной на ромбе с углами 100 и 80 градусов.

Рис.3 Атомная схема наночастицы Zr6O12. Белые шары - цирконий, серые - кислород	Рис.4 Зависимость энергии частицы Zr6O12 от деформации

Ее электронная структура содержит энергетическую щель шириной 2.5 эВ на уровне Ферми, т.е. имеет диэлектрический характер. Сжатие и растяжение частиц в пределах двух процентов (рис.4) позволило вычислить модуль упругости, который оказался примерно в два раза выше модуля упругости массивного диоксида циркония. Результаты могут быть полезны при разработке технологии создания наноструктурных пленок на основе диоксида циркония.

Публикации

1. Заводинский В. Г. Исследование механизма фазовой стабильности диоксида циркония, легированного магнием, кальцием и иттрием // Перспективные материалы, 2005. № 2.
2. Заводинский В.Г. О механизме ионной проводимости в стабилизированном кубическом диоксиде циркония // Физика твердого тела, 2004. Т. 46. Вып. 3. С.441-445.
3. Заводинский В.Г., Чибисов А. Н. Атомная и электронная структура наночастиц диоксида циркония // Информатика и системы управления, 2004.Т.2. Вып.8. С.60-66.

Квантово-механические расчеты показали, что поверхность оксидной керамики MgO(111), неустойчивая в чистом виде, стабилизируется путем нанесения на нее моноатомных слоев щелочных металлов. Наибольший эффект достигается при нанесении лития, который не только имеет наибольшую энергию связи с поверхностью MgO(111), но и превращает ее электронную структуру из металлоподобной в диэлектрическую. Показано также, что атомы фосфора могут накапливаться в тонком слое кремния вблизи границы с оксидом кремния; тенденция к накоплению фосфора на границе кремния с оксидом кремния может быть подавлена путем введения в кремний атомов азота. Показана энергетическая выгодность преобразования поверхностной фазы Si(100)-Al-2x2 в наноразмерные кластеры. Рост слоев оксида празеодима на поверхности Si(100) начинается с формирования островков PrO₂, которые в дальнейшем трансформируются в кубическую фазу Pr₂O₃.

Публикации

1. V.G. Zavodinsky, A. Kiejna, "Density functional study of alkali metals adsorption on the MgO(111) surface", Surface Science, 538 (2003) 240-248.)
2. V.G. Zavodinsky, H.-J. Mussig, J. Dabrowski, K. Ignatovich, J.P. Liu, H. J. Osten, Initial stages of praseodymium oxide film formation on Si(001), Surface Science 504 (2002) 159-166
3. V.G. Zavodinsky, J. Dabrowski, H.-J. Mussig, R. Baierle, M.J. Caldas, Mechanism of dopant segregation to SiO2/Si(001) interfaces, Physical Review. B 65, 245305 (2002).
4. V.G. Zavodinsky, First principles study of Al-Si nanosized clusters on Si(100)-2x1, Surface Science 516 (2002) 203-206.

Методами квантовой механики исследовано влияние давления на поведение водорода в кристаллическом кремнии. Показано, что в отсутствии давления водород аккумулируются либо в междоузлиях (в молекулярном виде) либо в вакансионных комплексах, где он насыщает оборванные связи кремния. Внешнее давление величиной 5 ГПа снижает энергию формирования дивакансий на 1 эВ (рис.1). Водород проникает в вакансии и дивакансии и насыщает внутренние оборванные связи атомов кремния, понижая энергию на 1.6 эВ на молекулу Н₂ повышая тем самым вероятность образования вакансионных комплексов. Энергия формирования вакансий и дивакансий, насыщенных водородом оказывается нечувствитель-ной к внешнему давлению. Таким образом, водород способствует формированию в кремнии наноразмерных полостей, которые он сам же и заполняет. При этом давление уже не оказывает влияния на число таких полостей. Результаты могут быть использованы в совершенствовании технологии кремниевых электронных приборов.

Публикации

1. В.Г. Заводинский, А.А. Гниденко, А. Мисюк, Я. Бак-Мисюк, Влияние давления и водорода на образование вакансий и дивакансий в кристаллическом кремнии, Физика и техника полупроводников, 2004, 38, вып. 11, 1281-1284
2. J. Bak-Misiuk, A. Misiuk, A. Shalimov, V.G. Zavodinsky, A.A.Gnidenko, B. Surma, I.V. Antonova, A. Wnuk, J. Ratajczak, J. Trela, V.P. Popov, Structural and optical properties of high temperature - high pressure treated Si:H, Journal of Alloys and Compounds, 382 (2004) 160-164

Методом теории функционала электронной плотности изучены равновесные конфигурации алмазоподобных кластеров C5 и C8, стабилизированных атомами Li, K, Cu, Ag, и Au. Показано, что медь является наиболее благоприятным элементом для формирования наноалмазных частиц. Моделирование роста эпитаксиальных алмазных пленок на поверхности кристаллической меди показало, что формирующиеся таким образом алмазные пленки имеют атомную структуру, близкую к структуре объемного алмаза (рис.1). Расчеты показывают, что пленки на поверхности Cu(111) более устойчивы, чем на Cu(100), однако зарождение зародышей алмаза на Cu(100) более выгодно. Результаты могут быть полезны при разработке методов создания алмазных покрытий на металлических материалах.

Поверхность Cu(100)	Поверхность Cu(111)
Рис.1 Теоретические схемы эпитаксии алмазных пленок на поверхности меди

Публикации

1. V. G. Zavodinsky, "Ab initio simulation of diamond epitaxial growth on copper", принято в печать, Computational Materials Science, 2005.