Применение методов сильноточной электроники для получения новых материалов и структур

Основные результаты исследований представлены в виде пяти разделов отчета. ---В первом разделе отчета исследовано на примере ряда катодных материалов (La0.9Sr0.1CoO3, La0.7Sr0.3CoO3, La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3, La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3, La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3, La0.6Sr0.4Co0.8Ni0.2O3 и La0.6Ca0.4Co0.8Fe0.2O3) влияние плотного слоя с ион-электронной проводимостью расположенного на границе электролит-пористый электрод на электродные характеристики. Найдено, что введение плотного слоя в состав электрода может привести к снижению поляризационного сопротивления. Положительный эффект от введения плотного слоя, изготовленного из одного материала, на перенос ионов кислород через границу электрод-электролит коррелирует с ионной составляющей проводимости материала плотного слоя. Введение плотного электродного слоя из композита смешанный проводник – электролит, который обладает большей ионной проводимостью, чем смешанный материал, приводит к снижению поляризационного сопротивления в 2.5-5 раз. Причем плотный композитный слой ускоряет как перенос ионов через границу электрод-электролит, так процессы на границе электрод-газ. Основываясь на проведенных исследованиях был изготовлен микротрубчатый кислородный насос с несущими плотными композитными электродными слоями. Показано, что полученный кислородный насос характеризовался малым внутренним сопротивлением, которое составляло 0,4 Ом при 800°С. Это позволило получать кислород при энергозатратах 2,3 Вт∙ч∙л-1, что в ~3 раза меньше, чем энергозатраты в ранее созданной конструкции кислородного насоса на несущем YSZ электролите. Исследованы условия получения порошковыми технологиями и свойства материалов на основе стали 30ХГСА с добавкой хрома, приводящей к увеличению удельного сопротивления и микротвердости стали. По совокупности характеристик спекания, термического расширения, прочностных и электрических характеристик материалы с добавкой 9–10 масс. % хрома могут быть приемлемыми для формирования двухслойной структуры с основой из стали 30ХГСА. Материалы и градиентные структуры на основе стали 30ХГСА с добавкой хрома могут применяться для устройств сильноточной электроники. Исследован способ получения и свойства металломатричного композита на основе титана с усиливающими частицами TiO2. Способ основан на методах электровзрывного получения композитного порошка Ti + TiO2, его активации в высокоэнергетической мельнице и магнитно-импульсного прессования. Получены Ti-ММК с высокими механическими свойствами: относительная плотность до 0,95, микротвердость - 4,7 ГПа, приведенный модуль упругости - 114 ГПа, ползучесть - 112 нм. Металломатричный композит на основе титана имеет конструкционное назначение. ---Во втором разделе отчета представлены результаты экспериментов по выбору условий получения нанопорошков никеля с полимерной оболочкой. Нанопорошки никеля получены методом электрического взрыва проволоки (ЭВП). Контролируемый ввод углеводорода в инертный рабочий газ в процессе получения порошков позволяет формировать на частицах кристаллическую углеродную оболочку в процессе образования частиц никеля. Это приводит к существенному ослаблению процессов агрегации частиц, а также позволяет защитить поверхность частиц никеля от окисления при извлечении на воздух. С целью создания биологически совместимых магнитных наночастиц проведена жидкостная модификация поверхности наночастиц никеля биосовместимыми полимерами – геллан, агароза, желатин. В результате показана возможность получения наночастиц никеля, обладающих, с одной стороны высокими магнитными характеристиками, а с другой стороны, являющимися биологически совместимыми благодаря оболочкам из биополимера. Используемые полимеры образуют сплошную оболочку толщиной от 2 до 10 нм в зависимости от типа полимера, кроме того, полученные капсулированные наночастицы слабоагрегированны и могут быть использованы для получения магнитных суспензий. Представлены результаты экспериментального исследования поглощения энергии в концентрированных системах частиц магнетита, иммобилизованных в эпоксидном композите, помещенных в переменное магнитное поле. Использовались разные по дисперсности образцы магнетита со средними размерами частиц от 5 до 200 нм, полученные разными методами. Ожидаемо, тепловой эффект в композитах с мельчайшими частицами оказался самым слабым. Однако, в других системах, при использовании более крупных порошков был практически одинаковым, несмотря на большую (на порядок величины) разницу в размерах частиц. Возможно, это эффект агрегации частиц, когда главную роль в макроскопическом эффекте играют крупные кластеры, а не отдельные частицы. Неожиданно, удельная мощность поглощения (УМП) увеличивалась с амплитудой приложенного поля быстрее, чем напряженность в квадрате. Физическая природа этого эффекта неясна и требует дальнейшего тщательного изучения. ---В третьем разделе отчета показаны результаты изучения самораспространяющихся быстропротекающих структурно-фазовых превращений в металлических сплавах при каскадообразующем облучении ускоренными ионами с энергией 5-50 кэВ, а также методов формирования уникальных электрических, магнитных, механических и ресурсных характеристик функциональных материалов. Приведены результаты, полученные при исследовании воздействия пучков ускоренных ионов Ar+ с энергией 10-40 кэВ на механические свойства и сопротивление усталости ряда промышленных алюминиевых сплавов различного состава и в различном исходном состоянии. Сплавы ВД1 (Al-Cu-Mg-Mn), АМг6 (Al-Mg) и 1441 (Al-Li-Cu-Mg) в виде листов толщиной 1-3 мм были изучены в исходном состоянии после холодной пластической деформации, а высокопрочный сплав В95 (Al-Zn-Mg-Cu) в виде горячепрессованных профилей (с толщиной полочки 8 мм) в состоянии поставки (после закалки и старения). Методом полевой ионной микроскопии (с атомным разрешением) выполнены исследования атомной структуры чистой платины в исхолном состоянии и после ионного и нейтронного облучения, а также распределения атомов Au в элементарной ячейке сверхрешетки сплава Fe25Pd50Au25 (ат. %), упорядоченного по типу L12,в исходном состоянии (до облучения). Проведено облучение ионами аргона с энергией 15 кэВ металлических нанопроволок из кобальта и никеля, измерены их магнитные свойства в исходном состоянии и после ионного облучения. Полученные результаты являются актуальными и отвечают мировому уровню исследований, проводимых в этой области. ---В четвертом разделе отчета описаны результаты исследования по определению ключевых факторов, определяющих характер поверхности, массу, толщину и плотность компактов, полученных из нанопорошков твердых растворов оксидов иттрия и лантана ((LaxY1−x)2O3) при использовании метода электрофоретического осаждения. Установлено, что максимальная плотность высушенных YLO компактов достигает 37 % от теоретической. Экспериментально исследован продольный сдвиг перетяжки ограниченного пучка Гаусса, показано, что полученные результаты могут быть использованы для управления положением фокальной плоскости при оптических исследованиях. Проведено исследование распределения интенсивности люминесценции по поверхности керамики на участке в спектральном диапазоне излучения основных линий Nd и Yb на образцах керамики на основе YAG и LuAG. Обнаружено, что на характер распределения интенсивности влияет как материал матрицы, так и вид легирующего элемента. Исследована зависимость диэлектрической проницаемости от частоты в диапазоне частот от 10-3 до 106 Гц керамики на основе алюмоиттриевого граната, допированной различными атомами с разными концентрациями и изготовленными одним методом. Обнаружено, что полученные зависимости носят схожий характер за исключением образца керамики 1at%Nd:YAG. Диэлектрическая проницаемость, как мнимая, так и действительная ее части, демонстрируют резкое увеличение с уменьшением частоты. ---В пятом разделе отчета описаны экспериментальные исследования электрофизических методик создания новых перспективных материалов для различного применения. Исследовались перспективы метода электрофоретического осаждения наноструктурированных покрытий и объемных образцов применительно к технологии создания твердооксидных топливных элементов и формирования высокоплотной конструкционной керамики. Применительно к технологии создания ТОТЭ были получены ячейки ТОТЭ с тонкопленочной композитной мембраной BaCe0.8Sm0.2O3 + 1 масс.% CuO (BCS-CuO) / Ce0.8Sm0.2O1.9 (SDC) на несущих пористых анодных подложках на основе NiO-BCS-CuO методом прямого электрофоретического осаждения с последующим спеканием при температуре 1450°С (5 часов). Исследованы композитные суспензии микроразмерного порошка SDC с добавлением нанопорошка SDC (5 масс.%). Подтверждена газоплотность электролитных мембран, проведены электрохимические испытания элементов в режиме ТОТЭ, которые показали высокие значения напряжения разомкнутой цепи (1.05 В – 0.95 В при температурах 600-700°C) и подтверждена эффективность применения композитных электролитных мембран для блокирования электронного тока утечки. Использованы современные методы исследования и прогнозирования свойств наноразмерных порошковых сред в рамках оригинального метода гранулярной динамики с учетом контактных сил упругого межчастичного взаимодействия, тангенциальных сил «трения», дисперсионных сил притяжения, высоко актуальных для описания ансамбля наноразмерных частиц, а также возможности образования прочных межчастичных связей, отражающих склонность нанопорошковых систем к сильному агломерированию. Изучена проблема магнитно-импульсных методов — разрушение поверхности индуктора в процессе генерации сильных импульсных магнитных полей. Проанализированы основные факторы, приводящие к разрушению проводника. В качестве порогового поля, разделяющего области безопасных (неразрушающих) и опасных полей, использована амплитуда магнитного поля, при которой индуцируемые напряжения в материале достигают выполнения условия пластичности Мизеса. В случае изначально однородного материала соответствующая этому пределу максимальная температура нагрева, получена аналитически. В общем случае исследовано влияние различных параметров (характеристики магнитного импульса, упругие модули материала и т.д.) на стойкость проводника в импульсном магнитном поле, и предложены способы повышения порогового поля, в частности, за счет использования различных пространственных профилей начального удельного сопротивления. В рамках изучения динамики генерации импульсных потоков плазмы, электронов и излучения в мощных импульсных электрофизических устройствах разработана теоретическая модель плазмы, учитывающая влияние магнитного поля на динамику заряженных частиц. Установлен параметр А, включающий все внешние факторы – индукцию магнитного поля, давление рабочего газа, длину промежутка, который определяет знак анодного падения потенциала в разрядах низкого давления в магнитном поле. Показано, что при А > 1 формируется газоразрядная структура с положительным анодным падением, при А < 1 анодное падение отрицательно, а при А = 1 прианодный слой отсутствует, и плазма непосредственно контактирует с поверхностью анода. Получены распределения концентрации плазмы в промежутке во всех перечисленных режимах.