Применение методов сильноточной электроники для получения новых материалов и структур

Основные результаты исследований представлены в виде пяти разделов отчета. ---В 1 разделе отчета содержатся основные результаты проведенных исследований по двум направлениям: исследование характеристик материалов со смешанной ион-электронной проводимостью, получение многослойных структур твердооксидного элемента типа пористый катод – плотный подслой – электролит; и создание материалов и градиентных структур на основе мелкодисперсного медно-ниобиевого сплава с добавлением модифицирующих керамических частиц для устройств сильноточной электроники. Цель – исследование новых материалов и структур типа металл-металл, металл-керамика, керамика-керамика, получаемых с применением методов сильноточной электроники и разработка соответствующего оборудования. В отчете представлены результаты исследования кинетики спекания электролитных и композитных анодных материалов на основе NiO и отработано совместное спекание структуры градиентный анод – электролит. Также исследованы характеристики микротрубчатых ТОТЭ, изготовленных с помощью отработанной методики. Другой научной и технической задачей, описываемой в рамках настоящего отчета, является разработка материалов для многократной генерации сильных, 30–50 Тл, импульсных магнитных полей микросекундного диапазона длительности, применяемых, в частности, в технологии магнитно-импульсной сварки металлов. Основным инструментом здесь является индуктор, испытывающий высокие термомеханические нагрузки. При этом термические напряжения, связанные с омическим разогревом токонесущих областей индуктора, являются, зачастую, более критичными, по сравнению с механическими напряжениями, вызванными непосредственно действием давления магнитного поля, и приводят к скорому его разрушению. Подходом к снижению термоупругопластических эффектов в материале индуктора является разработка высокопроводящих и высокопрочных материалов, например, на основе медь-ниобиевого композита с градиентом электропроводности. В отчете представлены результаты получения с применением методов порошковой металлургии и исследования свойств и стойкости однородных материалов и двухслойных структур с изменяющейся электропроводностью на основе мелкодисперсного сплава Cu-Nb в условиях генерации импульсного сильного магнитного поля. ---Во 2 разделе отчета в результате проведенных экспериментов выбраны условия получения порошков железа и оксида железа для формирования полимерных оболочек. Проведена проверка воспроизводимости результатов экспериментов по синтезу нанопорошков методом ЭВП. Наработаны представительные партии нанопорошков требуемой дисперсности. Проведена модификация частиц железа и оксида железа в процессе их синтеза, получены образцы порошков железа и оксида железа, модифицированные растворами полимеров агарозы и геллана с содержаниями от 0,2% до 1%. Полученные партии модифицированных порошков анализировались методами БЭТ, РФА и ПЭМ. Показана возможность формирования полимерных оболочек на поверхности наночастиц методом жидкостной модификации. Определены условия получения порошка оксида железа необходимой дисперсности и определена зависимость дисперсности от перегрева. Показано, что зависимость Sуд (К) для железа имеет минимум при коэффициенте перегрева К= 0,73. Показана возможность формирования полимерных оболочек на поверхности наночастиц оксида железа методом жидкостной модификации, получены образцы порошка модифицированные растворами полимеров агарозы и геллана с содержаниями от 0,2% до 1%. Представлены результаты использования метода электрического взрыва проволоки (ЭВП) для синтеза магнитных наночастиц (МНЧ) никеля, капсулированных в оболочки на основе природных полисахаридов - агарозы и геллана. Модификация проводилась при обработке МНЧ водными растворами полисахаридов непосредственно после конденсации наночастиц никеля в инертной атмосфере. Было исследовано нанесение оболочки полисахарида как на поверхность металлических частиц (Ni), так и на поверхность частиц с предварительно осажденной углеродной оболочкой (Ni@C) в зависимости от природы полисахарида и концентрации его в модифицирующем водном растворе. Было показано, что в этих условиях на поверхности МНЧ формируется полимерная оболочка толщиной около 4 нм. Выявлены особенности осаждения полимеров на поверхности наночастиц. Так при формировании оболочки на основе агарозы рост концентрации полисахарида в модифицирующем растворе приводил к закономерному росту количества осаждаемого углерода. Различия в характере влияния концентрации полисахарида на количество осаждаемого углерода связаны с существенной разницей в молекулярных массах полисахаридов. Геллан имеет молекулярную массу существенно больше, чем агароза, и его адсорбцию из растворов с повышенной концентрацией затрудняла агрегация перекрывающихся макромолекулярных клубков в растворе. Таким образом, для увеличения толщины полимерной оболочки на МНЧ при использовании полисахаридов с небольшой молекулярной массой (агароза) целесообразно увеличивать концентрацию модифицирующего раствора, в то время как при использовании полисахаридов с высокой молекулярной массой это может приводить к обратному эффекту. Охарактеризованы реологические свойства магнитных суспензий на основе Na-альгината с четырьмя различными типами внедренных магнитных частиц (MPs): магнетит (Fe3O4), металлическое железо (Fe), металлический никель (Ni) и металлический никель с нанесенным углеродным слоем (Ni@C). Эти партии MPs отличались энтальпией взаимодействия Na-альгинатного полимера с поверхностью, определенной калориметрическим методом с использованием термодинамического цикла. Показано , что эластичность магнитных суспензий на основе Na-альгината обратно пропорциональна интенсивности молекулярных взаимодействий на поверхности внедренных магнитных частиц, что связано с образованием микроскопической сети связанных магнитных частиц, что объясняет плохое взаимодействие с полимером (альгинатом натрия). --- В 3 разделе отчета объектом исследования являлись: − тонкая кристаллическая, локальная атомная структура образцов чистой платины в исходном состоянии и после облучения ионами аргона; − микротвердость, микроструктура и фазовый состав сплава 1469 (Al–Cu–Li) с добавками Ag, Mg, Zr и Sc в исходном состоянии после интенсивной пластической деформации, а также после воздействия пучков ускоренных ионов аргона и отжига в печи при аналогичной температуре. Цель работы заключалась в изучении самораспространяющихся быстропротекающих структурно-фазовых превращений в металлических сплавах при каскадообразующем облучении ускоренными ионами с энергией 5-50 кэВ, а также в разработке фундаментальных основ новейших технологий обработки функциональных материалов пучками ускоренных ионов при увеличении в 102-103 раз скорости протекающих процессов (отжига, старения, кристаллизации, нанокристаллизации, образования фаз и др.), снижении температуры протекания этих процессов на 100-200 К, а также 2-3 краткого снижения энергоемкости обработки. Продолжены исследования воздействия пучков ускоренных ионов Ar+ с энергией 10-20 кэВ на микротвердость, микроструктуру и фазовый состав сплава 1469 (Al–Cu–Li) с добавками Ag, Mg, Zr и Sc в исходном метастабильном состоянии после интенсивной пластической деформации, а также после кратковременного воздействия пучков ускоренных ионов аргона. Проведены также отжиги в печи при температуре, до которой нагревались образцы в ходе облучения, с различными выдержками. Проведен сравнительный анализ полученных результатов и выявлены закономерности многократного ускорения структурно-фазовых превращений в исследуемом сплаве в условиях ионного облучения. Методом полевой ионной микроскопии (с атомным разрешением) выполнены исследования атомной структуры чистой платины в исходном состоянии и после облучения ионами Ar+ с энергией 30 кэВ. Обнаружено большое количество радиационных дефектов разного типа (отдельные вакансии, междоузельные атомы, пары Френкеля, обедненные зоны, нанокластеры смещенных атомов и т.д.) Установлено, что глубина приповерхностного объема облученного металла с дефектами составляет 1-1,5 нм. ---В 4 разделе отчета описаны зарегистрированные спектры комбинационного рассеяния катодов, изготовленных из волокон углеродных нанотрубок, полиакрилонитрильных волокон, пиролитического графита и мелкозернистого плотного графита до и после работы в автоэмиссионных катодолюминесцентных лампах. Обнаружено, что работа в качестве катода в разной степени влияет практически на все параметры линий в исследуемом диапазоне. На основе сравнения с литературными данными удалось обнаружить 20% увеличение размеров зерна в мелкозернистом плотном графите после работы в автоэмиссионной катодолюминесцентной лампе. Разработана технология электрофоретического осаждения нанопорошков (в том числе порошков полуторных оксидов) для получения композитных магнитооптических керамик. .Подробно изучен процесс формирования одно- и двухслойных компактов методом ЭФО из спиртовых суспензий нанопорошков. С целью идентификации механизма переноса зарядов в алюмоиттриевых гранатах, допированных различными редкоземельными металлами, были измерены зависимости диэлектрической проницаемости от температуры и частоты. Получены условия сохранения вектора Джонса при отражении от границы анизотропной среды. Определены углы Брюстера и соответствующие им поляризации электромагнитных волн. Предложен новый метод генерации полых цепочноподобных пучков, в основе которого лежит дифракция пучка Бесселя первого порядка на зонной пластинке с двумя открытыми зонами, новый метод реализован экспериментально. Предложены и экспериментально апробированы методы определения знака топологического заряда сфокусированного пучка с дислокацией волнового фронта и его положения перетяжки. ---В 5 разделе отчета объектом исследования являются функциональные слои твердооксидного топливного элемента, генераторы сильных импульсных магнитных полей, импульсные потоки плазмы. Цель работы: 1. Экспериментальные исследования электрофизических методик создания новых перспективных материалов для различного применения. Исследование перспектив метода электрофоретического осаждения наноструктурированных покрытий и объемных образцов применительно к технологии создания твердооксидных топливных элементов и формирования высокоплотной конструкционной керамики. Получение высокочистых слабо агрегированных наночастиц оксидов металлов, допированных редкоземельными ионами; исследование закономерностей формирования кристаллической структуры и дефектов в наночастицах. 2. Развитие современных методов магнитно-импульсной обработки, исследования и прогнозирования свойств наноразмерных порошковых сред. Изучение потенциальных возможностей и ограничений современных индукторных систем, используемых для генерации сильных импульсных магнитных полей. 3. Изучение динамики генерации импульсных потоков плазмы, электронов и излучения в мощных импульсных электрофизических устройствах. Результаты работы: 1. Применительно к технологии создания твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) было получено увеличение удельной мощности и напряжения разомкнутой цепи (НРЦ) в ячейке ТОТЭ с несущей электролитной мембраной Ce0.8Sm0.2O1.9 (SDC), нанесенным барьерным слоем BaCe0.8Sm0.2O3+1 масс.% CuO (BCS-CuO) со стороны анода и модифицирующим слоем Ce0.8Sm0.1Pr0.1O1.9 (PSDC) со стороны катода. Продемонстрированы преимущества метода электрофоретического осаждения с последующим спеканием для формирования тонкопленочных слоев BCS-CuO и PSDC на подложках SDC. Установлено снижение омического и поляризационного сопротивления электролитной мембраны BCS-CuO/SDC/PSDC за счет возникновения электронной проводимости PSDC со стороны катода и более высокой ионной проводимости мембраны. Продемонстрирован рост удельной мощности ячейки BCS-CuO/SDC/PSDC до 160-420 мВт/см2 при НРЦ 920-780 мВ в интервале температур 650-800°C, что превышает удельную мощность и НРЦ ячеек с несущим SDC электролитом, ячеек с несущим PSDC электролитом, а также ячеек с одним блокирующим слоем BCS-CuO/SDC. 2. Оксид иттрия, допированный ионами церия (Ce4+:Y2O3), перспективен в качестве материала керамических сцинтилляторов, при этом, использование наноразмерных частиц при его спекании может снизить оптические потери в получаемой керамике. Проведены эксперименты по получению нанопорошков оксида иттрия, допированных ионами церия, методом горения в растворах. Представлены характеристики синтезированных частиц оксида иттрия, допированных ионами церия. Рентгенофазовый анализ полученных материалов после отжига при t = 600°C показал, что все образцы представляют собой порошки с однофазной структурой. В соответствии с данными сканирующей электронной микроскопии и распределения частиц по размерам агрегатов, пик распределения агрегатов частиц Ce4+:Y2O3 приходится на 10-12 нм. Проведенные исследования показывают, что метод горения в растворах может быть успешно применен для синтеза наночастиц оксидов металлов, перспективных для получения сцинтилляционных керамических материалов. 3. В рамках развития современных методов исследования и обработки различных, в т.ч. наноразмерных и порошковых, материалов изучается известная проблема магнитно-импульсных методов — разрушение поверхности индуктора в процессе генерации сильных импульсных магнитных полей. Рассмотрены способы увеличения импульсного магнитного поля амплитудой порядка 40 Тл, которое цилиндрический толстостенный индуктор из стали 30ХГСА может выдержать без разрушения при многократном воздействии. Способы включают изменение параметров материала, характеристик магнитного импульса, внутреннего радиуса, создание профиля удельного сопротивления, спадающего от внутренней поверхности вглубь материала. 4. В рамках изучения динамики генерации импульсных потоков плазмы, электронов и излучения в мощных импульсных электрофизических устройствах разработана теоретическая модель плазмы, которая показывает, что характеристики возмущенной плазмы, находящейся между положительным столбом и прианодным слоем пространственного заряда, существенно связаны с величиной параметра L, зависящего от подвижности ионов и температуры и, в частности, пропорционального протяженности области возмущенной плазмы. Кроме того при различных значениях этого параметра может не только количественно, но и качественно поменяться вид зависимости напряженности электрического поля от координаты. Возможен как рост, так и уменьшение напряженности поля при приближении к аноду, что приведет соответственно к появлению положительного или отрицательного анодного падения. Установлено соотношение, определяющее переход между этими режимами. Полученные результаты являются актуальными и отвечают мировому уровню исследований, проводимых в этой области.