Основные результаты научных исследований // 2005

Методами теории функционала электронной плотности и псевдопотенциала выявлено, что стехиометрические наночастицы ZrO2 с кубической симметрией (рис.1) более стабильны, чем с ромбической (тетрагональноподобной). Электронная структура наночастиц содержит энергетическую щель на уровне Ферми (рис.2), однако ширина этой щели (в за-висимости от симметрии и размера частицы) может быть значительно меньше, чем шири-на запрещенной зоны массивного материала. Экспериментально подтверждена возмож-ность стабилизации кубической фазы с помощью импульсной лазерной абляции моно-клинного диоксида циркония и последующего осаждения его на монокристаллический кремний. Результаты будут полезны для новейших технологий микроэлектроники.

Рис.1 Атомная схема релаксированной наночастицы ZrO

Рис.1 Атомная схема релаксированной наночастицы Zr19O38. Белыми и серыми кружками обозначены атомы циркония. Черные кружки - атомы кислорода.

Рис.2 Плотности электронных состояний наночастиц ZrO

Рис.2 Плотности электронных состояний наночастиц Zr6O12 (a), Zr10O20 (b), Zr14O28 (c) и Zr19O38 (d), а также массивного кубического диоксида циркония (e). Пуктир - уровень Ферми.

Публикации

  1. В.Г. Заводинский, А.Н. Чибисов. О стабильности кубического диоксида циркония и стехиометрических наночастиц диоксида циркония. //Физика твердого тела, 2006, 48 (2), С. 343-347.
  2. Кузьменко А.П., Заводинский В.Г., Кузьменко Н. А., Петерсон М.В., Пугачев-ский М.А., Бруй В.Н., Чусовитин Е.А. "Лазерная абляция диоксида циркония", Вестник ДВО РАН, принята в печать.

Впервые обнаружено образование нитевидных монокристаллов вольфрама при вос-становлении NiWO4 газом СО (рис.3). Направленный рост нитевидных кристаллов (НК) вольфрама обусловлен реализацией механизма "пар-жидкость-кристалл" по следующей схеме: избирательное восстановление никеля из вольфрамата сопровождается формирова-нием твердого раствора системы NiWO4-WO3 эвтектического состава, в результате насы-щения локальных областей жидкой фазы газом СО возникают термодинамические усло-вия восстановления вольфрама до металла. Определены параметры процесса восстановле-ния (скорость подачи газа, оптимальная температура процесса, состав легкоплавких доба-вок), обеспечивающие стабильный рост НК вольфрама длиной более 100 мкм при посто-янном диаметре 0,2-0,3 мкм.

Рис.3 Электронные микрофотографии нитевидных кристаллов вольфрама

Рис.3 Электронные микрофотографии нитевидных кристаллов вольфрама (при различном увеличении), по-лученных при восстановлении NiWO4 в потоке СО.

Публикации

  1. Верхотуров, А.Д. Лебухова Н.В., Ершова Т.Б., Карпович Н.Ф. Получение тугоплавких соединений при углетермическом восстановлении природных вольфраматов и продуктов их переработки // Материаловедение. 2005. № 5. С. 47-51.
  2. Лебухова Н.В., Карпович Н.Ф., Палажченко В.И., Пугачевский М.А. Получение нитевидных монокристаллов вольфрама //Вестник ДВО - принята в печать
  3. Лебухова Н.В., Карпович Н.Ф. Углетермическое восстановление вольфраматов кобальта и никеля. //Неорганические материалы - принята в печать, №3, 2006

Впервые обобщены принципы создания электродных материалов для электроискрового легирования. Установлена взаимосвязь свойств электроискровых покрытий с режимами их нанесения и свойствами материала легирующего электрода. Разработаны новые электродные материалы с использованием самофлюсующихся и минеральных добавок. Проведены исследования влияния взаимодействия мощного искрового разряда (W 500Дж) на состав и структуру цирконийсодержащего минерального сырья, применяющегося в качестве порошкового электродного материала и позволяющего получать легированные слои 100%-ой сплошности и с высоким уровнем физико-химических свойств (рис.4).

Рис.4 Микроструктура легированного слоя, полученного при ЭИЛ стали Х12Ф1

Рис.4 Микроструктура легированного слоя, полученного при ЭИЛ стали Х12Ф1 частично стабилизированным диоксидом циркония на установке "Разряд-3".

Публикации

  1. Николенко С.В., Верхотуров А.Д. Новые электродные материалы для электроискрового легирования. Владивосток: "Дальнаука", 2005. 10 п.л. (в редакции)

Впервые на основе проведенных ситовых и дифракционных анализов тугоплавких порошков карбида вольфрама, измельченного магний- и цирконийсодердащего минерального сырья выявлены закономерности распределения объемов частиц порошка по интервалам диаметров. Разработаны теоретические основы суперпозиции плотностей распределения дисперсных систем, позволяющие определить плотность распределения композиций порошков, исходя из плотностей распределения отдельных составляющих.

Рис.5 Плотность распределения объема частиц по крупности композиции

Рис.5 Плотность распределения объема частиц по крупности композиции ZrO2 (80%) + MgO (20%): 1 - экспериментальная кривая; 2 - теоретическая кривая

Установлена хорошая сходимость расчетных данных с экспериментальными результатами (на примере композиции ZrO2 - 80%, масс. и MgO - 20%, масс.), что может быть использовано для получения материалов методом порошковой металлургии (рис.5).

Публикации

  1. Бойко В.Ф., Николенко С.В. "Оценка удельной поверхности дисперсных систем пористых частиц //Огнеупоры и техническая керамика №2, 2005.
  2. Бойко В.Ф., Николенко С.В. Оценка пористости насыпного объема дисперсных материалов слоистой структуры //Огнеупоры и техническая керамика №5, 2005, с. 43-46.
  3. Бойко В.Ф., Николенко С.В., Климова Л.А., Власова Н.М., Комарова Г.П. Принцип суперпозиции плотностей распределения порошковых материалов //Огнеупоры и техническая керамика №7, 2005, С. 39-43

Впервые методом просвечивающей электронной микроскопии выявлены основные закономерности изменения микроструктуры и фазового состава поверхностных слоев различных металлов (Cu, Ni, Mo) в области воздействия низковольтного разряда длительностью 50-800 мкс и мощности 0,5-1,0 кВт. Установлено, что электроискровое воздействие приводит к уменьшению размера кристаллических зерен с 200 мкм до 10 нм (рис. 6). Фазы, соответствующие элементам анода (Сu, W) и соединениям материала электродов с кислородом и азотом воздуха (CuO, WO3, CuWO4, NiWO4, Cu2O, MoO3 и др.) расположены упорядоченно в зависимости от расстояния до центра разряда. Полученные результаты могут быть использованы для создания электроискровых покрытий заданного состава.

Рис.6 Электронограммы участков медной фольги

Рис.6 Электронограммы участков медной фольги, удаленных от центра области воздействия разряда длительностью 200 мкс, мощностью 740 Вт на расстояние: а) 710 мкм (размер зерна - 100-200 мкм), б) 270 мкм (размер зерна - 0,5-1 мкм), в) 130 мкм (размер зерна - 30-100 нм), г) 50 мкм (размер зерна - около 10 нм).

Публикации

  1. С.А. Пячин, М.А. Пугачевский, В.Г. Заводинский. Структурно-фазовые превращения медной фольги под воздействием искрового разряда. // Физика металлов и металловеде-ния, 2006, № 1, принята в печать.

Изучены закономерности электроэрозионного диспергирования твердого сплава ВК8 в воде. Показано, что при этом образуется порошок с пониженным содержанием углерода (3,6мас.% вместо 5,6мас.% в исходном сплаве), вследствие чего при спекании его в вакууме при температуре 1500 0 С появляются хрупкие фазы -WC, Co2 W4 C, Co6 W6 C, -W, приводящие к разрушению образца. При карбидизации порошка в среде оксида углерода содержание углерода увеличивается до исходного в твердом сплаве ВК8, при этом возможно получение наноструктурного (размер зерен менее 100 нм) вольфрамокобальтового порошка (рис.7). Полученные порошки можно использовать для нанесения износостойких покрытий методом лазерной наплавки и для получения изделий методами порошковой металлургии.

Рис.7 Морфология и структура сферических частиц вольфрамокобальтого порошка после термообработки.

Рис.7 Морфология и структура сферических частиц вольфрамокобальтого порошка после термообработки.

Публикации

  1. М.И. Дворник, А.Д. Верхотуров, Т.Б. Ершова, В.И. Палажченко. Влияние энергии и длительности искрового разряда на состав порошка, полученного электроэрозионным диспергированием твердого сплава ВК8 в воде // Электронная обработка материалов, 2005, № 2, С. 15-19

Исследовано влияние концентрации углерода (3,04 - 5,0 %) на микроструктуру, фазовый состав, массоперенос и эрозионные свойства белых чугунов, использующихся в качестве анодных материалов для электроискрового легирования. Установлено, что одним из основных факторов, ответственных за эрозионные свойства анодов является содержание углерода, что определяет тип и дисперсность структурных составляющих (рис.8). Изучены закономерности процесса эрозии анодов всех составов и массопереноса на катодах от длительности импульса искрового разряда. Показано, что закаленное состояние катода из стали 45 позволяет получать качественные покрытия при оптимальной производительности процесса нанесения. Наиболее перспективным анодным материалом из белого чугуна является эвтектический сплав, что позволяет рекомендовать его в качестве электродного материала для быстроизнашивающихся поверхностей.

Рис.8 Влияние углерода и температуры отбора на эрозию и массоперенос при ЭИЛ на установке

Рис.8 Влияние углерода и температуры отбора на эрозию и массоперенос при ЭИЛ на установке "Элитрон 22". Изменение массы катода (К1, К2, К3, К4) и анода (А1, А2, А3, А4) в зависимости от типа электродов, полученных при температуре, соответственно, 0С: 1230, 1380, 1450, 1550.

Публикации

  1. Верхотуров А.Д., Муромцева Е.В., Химухин С.Н. Белый чугун в качестве электродов для электроискровой обработки // Перспективные материалы № 2, 2005. С. 61 - 66

Проведено моделирование взаимодействия гелия и водорода в кремнии при гидростатических давлениях величиной до 5 ГПа. Обнаружено, что гелий в зависимости от своей концентрации влияет на диффузию водорода из вакансионных комплексов. Низкие концентрации гелия увеличивают вероятность выхода водорода из дивакансии, в то время как высокие концентрации гелия, наоборот, затрудняют диффузию водорода из вакансионных комплексов.

Публикации

  1. A. Misiuk, B. Surma, V.G. Zavodinsky, A.A. Gnidenko. Buried nano-layers in silicon co-implanted with H2+/He+ and annealed under high hydrostatic pressure. // Review of Advanced Materials Science, 10 (2005), Р. 73-78.
  2. A. Misuk, A. Shalimov, J. Bak-Misiuk, B. Surma, A. Wnuk, I.V. Antonova, V. G. Zavodinsky, A.A. Gnidenko. Porous-like structures prepared by temperature-pressure treatment of heavily hydrogenated silicon. // Рhysica status solidi (c), 2005, V 2, No. 9, Р. 3329-3333.
  3. V.G. Zavodinsky A.A. Gnidenko, A. Misiuk, J. Bak-Misiuk. Ab initio simulation of high pressure influence on He-H interaction in silicon. // Vacuum, 2005, Vol 78/2-4 Р. 247-249.

Квантово-механические расчеты показывают, что наночастицы с металлической, ковалентной и ионной связями ведут себя по-разному под действием механических деформаций. Модуль упругости алюминиевых частиц сильно зависит от деформации; для крем-ниевых частиц зависимость модуля упругости от деформации линейная; а у наночастиц диоксида циркония модуль упругости является константой (рис.9). В целом, упругие ха-рактеристики наночастиц существенно превышают соответствующие величины, харак-терные для массивных материалов. Результаты будут полезны для нанопорошковой металлургии и наномеханики.

Рис.9 Зависимости модуля упругости от деформации для наночастиц алюминия, кремния и диоксида циркония.

Рис.9 Зависимости модуля упругости от деформации для наночастиц алюминия, кремния и диоксида циркония.

Публикации

  1. Заводинский В.Г, Чибисов А.Н, Гниденко А.А., Алейникова М. А. Теоретическое исследование упругих свойств малых наночастиц с различными типами межатомных связей. //Механика композиционных материалов и конструкций. 2005, том. 11, № 3, С. 337-346.

Изучены закономерности восстановления кислородных соединений вольфрама алюминием, магнием в среде расплавов карбонатов и хлоридов щелочных металлов. Установлены составы расплавов и температурно-временной режим металлотермического восстановления соединений вольфрама, обеспечивающие выход вольфрама 95-98% чистотой около 97% и удельной поверхностью порошков (4,7·105 - 2,9·106 м-1)

Публикации

  1. Верхотуров А.Д., Гостищев В.В, Кысса О.К. Получение и применение тугоплавких соединений металлов IV- VI групп из оксидов и минерального сырья. // Вестник ДВО РАН № 6, 2005, с. 27-32
2005 2006 2007 2008 2009 2010