Микро- и нано-масштабные структуры в материалах и процессах энергетики

Объектом исследования являются процессы формирования микроструктур под воздействием лазерного излучения и образования оксидов при окислении металлов водокислородным флюидом. Цель проекта – разработать методы получения структурированных поверхностей ряда материалов с контролируемой иерархией масштабов структур с использованием импульсного лазерного излучения и оксидных структур различной морфологии в результате окисления металлов высокоплотным водокислородным флюидом. Исследованы свойства кремния, модифицированного наносекундным лазерным излучением (15 нс, λ = 532 нм) в атмосфере воздуха и аргона. Для выявления природы гидрофобности и лиофобности исследована динамика падения капель глицерина на эти образцы, установленные под углом 5° к игле, из которой подавался глицерин. Выдвинута гипотеза, согласно которой гидрофобность и лиофобность поверхности обусловлена наличием газа, заполняющего нанопоры структуры материала. Для проверки этой гипотезы эксперименты проведены в условиях вакуума (102−105 Па) для дегазации поверхности. Полученные результаты показывают, что для капель глицерина (d = 4 мм) значения контактного угла смачивания остаются неизменными после дегазации поверхности. Это указывает на то, что ключевую роль в гидрофобности и лиофобности играют химический состав и морфология поверхности, а не остаточный газ в нанопорах. Выполнено лазерное микроструктурирование поверхности стальных деталей с использованием ультракоротких лазерных импульсов (длительностью 220 фс–10 пс, λ = 1032 нм, мощность до 3 Вт). В ходе эксперимента на поверхности стальных колодок из стали 95Х18 формировались паттерны различной геометрии и плотности. Трибологические испытания, проведённые по схеме «диск-индентор» (стенд ИИ 5018, нагрузка 200 Н, 200 об/мин, смазка авиационным керосином), показали снижение коэффициента трения на 30% и минимальный износ поверхностей при использовании паттерна «продольные линии». Этот тип рельефа обеспечивал равномерное распределение смазочного материала, предотвращая образование сухих пятен. Показаны перспективы лазерной обработки для комбинированных методов модификации, направленных на повышение износостойкости и снижение трения в различных эксплуатационных условиях. На примере полупроводника CdTe развита модель взаимодействия наносекундного лазерного излучения (λ = 248 нм) с многокомпонентными материалами. Модель учитывает зависимость оптических и теплофизических параметров материала от соотношения компонентов, изменяющегося в процессе взаимодействия материала с излучением. Для численной реализации построена неявная конечно-разностная схема. Обнаружен новый эффект, заключающийся в уменьшении температуры поверхности полупроводника CdTe при его облучении в процессе плавления вследствие изменения состава материала, а также зависимости температуры плавления от соотношения компонентов. Исследовано окисление расплавов свинца (Pb)l и висмута (Bi)l высокоплотным водокислородным флюидом в интервале температур 623–873 К. С помощью уравнения состояния Редлиха-Квонга получены временные зависимости количества О2 в реакционной смеси, исходя из которых описаны механизмы и кинетика окисления. Обнаружена немонотонная зависимость кинетики окисления (Pb)l от температуры и мольного отношения Н2О/О2, вызванная переходом от диффузионного к кинетическому режиму окисления. Скорость окисления (Bi)l увеличивается с ростом температуры и определяется внутренней диффузией. Показано, что молекулы Н2О могут выступать в качестве катализатора в окислении (Pb)l и реагента в окислении (Bi)l. Результаты по формированию поверхностей с иерархической структурой будут востребованы при создании поверхностей с заданными функциональными свойствами. Результаты по окислению свинца и висмута могут быть полезны при проектировании и обеспечении безопасности работы энергетических установок и оценке стабильности катализаторов на основе оксидов переходных металлов.