ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ НАНОТРУБЧАТОГО ТРИТИТАНАТА НАТРИЯ

Tue, 01 Apr 2025 00:00:00 +0000

В последнее время наноструктурированный Na₂Ti₃O₇ привлекает все большее внимание исследователей в качестве перспективного материала для газовых датчиков, фотокатализаторов, ортопедических приспособлений, аккумуляторов, суперконденсаторов и пр. В ряде случаев специфика использования таких материалов требует наличия у них магнитных свойств, например, для сепарации наночастиц из водных сред или для адресной доставки лекарств. В рамках настоящей работы разработана методика получения композиционных наноматериалов на основе многостенных нанотрубок Na₂Ti₃O₇ и Fe₂O₃ (α-фаза). Внешний диаметр многостенных нанотрубок равен 7–10 нм, внутренний – 3,5–4 нм, а расстояние между стенками составляет 1–2 Å. Нанокомпозиты Na₂Ti₃O₇–Fe₂O₃ получены одностадийным гидротермальным методом за счет одновременной обработки диоксида титана и трихлорида железа в концентрированном растворе гидроксида натрия. В сравнении с трититанатом натрия нанокомпозиты Na₂Ti₃O₇–Fe₂O₃ имеют улучшенную оптическую активность, особенно в видимой области, и уменьшенную ширину запрещённой зоны (с 3,29 до 2,85 эВ) за счет образования гетероперехода между двумя полупроводниками. Нанокомпозиты Na₂Ti₃O₇–Fe₂O₃ демонстрируют суперпарамагнитные свойства при комнатной температуре, их намагниченность возрастает с ростом содержания фазы Fe₂O₃, коэрцитивная сила достигает 965 Э (при 3 К).

ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ПРОВОДА ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ

Tue, 01 Apr 2025 00:00:00 +0000

Исследовались механические свойства сталеалюминиевого провода АС50 воздушной линии электропередачи после 52 лет эксплуатации. Измерялись такие характеристики как модуль Юнга, декремент затухания, рентгеновская и интегральная массовые плотности алюминиевой и стальной проволок. Измеренные характеристики сравнивались с таковыми для нового провода, не подвергавшегося эксплуатации. Представлены зависимости этих величин от положения в пролете между соседними опорами. Показано, что зависимость модуля Юнга и интегральной массовой плотности от части длины пролета имеет Λ- и W- образный характер для стальной и алюминиевой проволоки соответственно. Зависимость декремента затухания для них имеет Λ и V- образный характер, а зависимость массовой плотности в приповерхностном слое М-образный характер. Указанные зависимости связываются с образованием микронесплошностей в материале провода при его деформациях в процессе эксплуатации на линии электропередачи под влиянием ветровых, гололедных и иных воздействий. Повышенная рабочая температура создает условия для возврата или рекристаллизации алюминиевой части провода. Изменение декремента затухания связывается с трансформацией границ зерен в процессе такой деформации. Изменение поверхностной массовой плотности объясняется образованием и залечиванием микропор и микротрещин, а также с изменением химического состава поверхностных слоев, в частности, образованием оксида алюминия.

ДВА ВАРИАНТА 3D КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ФАЗОВОЙ ДИАГРАММЫ AG-SB-SN, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ SB3SN4

Tue, 01 Apr 2025 00:00:00 +0000

Система Ag-Sb-Sn представляет интерес для микроэлектроники и является перспективным материалом, используемым при высокотемпературной пайке. Анализ фазовых равновесий в системе осложнен отсутствием согласованного мнения о ее строении: различные версии обусловлены неоднозначным описанием образующихся соединений и условий их существования. Так, соединение Sb₃Sn₄ либо считается устойчивым вплоть до комнатной температуры, либо существует в ограниченном диапазоне температур 323-242^oC.

Целью работы был анализ фазовых равновесий в системе Ag-Sb-Sn в зависимости от способа образования и температурных границ существования бинарного соединения Sb₃Sn₄. Для этого были построены две версии трехмерной (3D) компьютерной модели фазовой диаграммы Ag-Sb-Sn. Использовалась технология сборки фазовой диаграммы из поверхностей и/или фазовых областей. Изо- и политермические разрезы рассчитывались по обоим вариантам 3D модели. Полученные версии обеспечивают полное геометрическое описание фазовой диаграммы, в том числе в твердотельных областях. Кроме того, модель может быть скорректирована при получении новой экспериментальной информации и даже радикальном изменении понимания свойств соединений, образующихся в системе. Обе версии 3D-моделей расширяют прогностические функции фазовой диаграммы, и в дальнейшем помогут понять структуру фазовых диаграмм других тройных систем, сформированных на основе бинарной системы Sb-Sn.

МОРФОЛОГИЯ И СОСТАВ БОРСОДЕРЖАЩИХ ПЭО-ПОКРЫТИЙ НА СПЛАВЕ МАГНИЯ МА8

Tue, 01 Apr 2025 00:00:00 +0000

В работе представлены результаты исследования морфологии и состава покрытий на магниевом сплаве МА8, полученных методом плазменного электролитического оксидирования (ПЭО) в борсодержащих электролитах. Установлено влияние состава электролита и режимов ПЭО на элементный и фазовый состав, морфологию и структуру гетерооскидных покрытий. Установлено, что при ПЭО в электролитах, содержащих частицы бора, поверхность формируемых покрытий содержит до 2,3 ат. % бора в связанном состоянии. Также показано, что при оксидировании в электролитах, содержащих дисперсную фазу в виде борсодержащей суспензии, происходит инертное включение частиц бора в структуру покрытий.

СТРУКТУРА И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ КРУЧЕНИЕМ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛАСТИН МЕДИ И АЛЮМИНИЯ

Tue, 01 Apr 2025 00:00:00 +0000

Методами растровой электронной микроскопии, рентгенофазового и энергодисперсионного анализа изучена структура и фазовый состав металломатричных композитов, полученных кручением под высоким давлением пластин Al и Cu с различной укладкой слоев: 6Cu-5Al - и 6Al-5Cu. Образцы деформировали кручением под высоким давлением 6 ГПа, на 5 оборотов со скоростью 1об/мин. Показано, что образец с укладкой пластин 6Al-5Cu имеет более однородную структуру, чем образец с укладкой 6Cu-5Al. Процесс перемешивания в образце 6Al-5Cu протекает более интенсивно во все объеме образца, а в образце 6Cu–5Al только на краю. Рентгенофазовый и энергодисперсионный анализ показал, что фазовый состав исследованных образцов заметно отличается. Интерметаллидные фазы AlCu, Al₂Cu, Al₄Cu₉, а также твердый раствор алюминия в меди присутствуют в образце 6Al-5Cu, основу составляет алюминий и медь. В образце 6Cu-5Al также наблюдаются аналогичные интерметаллидные фазы, а основу составляет медь и твердый раствор алюминия в меди. Микротвердость исследованных образцов, измеренная в поперечном сечении, значительно выше микротвердости исходных металлов. Микротвердость формируется в зависимости от полученной структуры и фазового состава исследованных образцов.

ПОСЛОЙНОЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ИДЕНТИРОВАНИЕ СПЛАВА AA7075, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Tue, 01 Apr 2025 00:00:00 +0000

Алюминиевые сплавы широко применяются в различных отраслях промышленности, включая авиацию, электронику, автомобильную и военную промышленность. Нанотвердость и модуль Юнга алюминиевых сплавов играют значимую роль в их исследовании и оптимизации, так как результаты измерения предоставляют более точную информацию о механических свойствах материалов на наноуровне, что особенно актуально при разработке новых деталей и улучшении характеристик имеющихся сплавов. Изучение нанотвердости алюминиевого сплава 7075 позволяет исследовать воздействие различных добавок и легирующих компонентов на их механические качества. Полученные данные используются для оптимизации режимов получения сплавов, методом аддитивного производства и формирования новых материалов с усовершенствованными свойствами.

Использование методов инструментального индентирования позволило установить присутствие в верхней области фаз, влияющих за нанотвердость детали. Образование вторичных фаз, имеющих плохую растворимость в металлической матрице, обусловлено более высоким градиентом температур, за счет межслоевого охлаждения. Вторичные фазы затрудняют движение границ зерен, что способствует увеличению нанотвердости и модуля упругости до 2,3±3,27 ГПа и 100,1±0,6 ГПа соответственно. Методами СЭМ установлено, что в слоях рядом с подложкой, где скорость охлаждения детали становится меньше с увеличением высоты наплавленного образца, средний размер зерна составляет от 10 до 15 мкм, а в областях с более высоким температурным градиентом за счет межслоевого охлаждения размер зерен уменьшается до 5-10 мкм.

ДВУМЕРНЫЕ ДИСКРЕТНЫЕ БРИЗЕРЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛА АЛЮМИНИЯ

Tue, 01 Apr 2025 00:00:00 +0000

Интерес к дискретным бризерам (ДБ), то есть периодическим во времени и пространственно-локализованным колебательным модам в бездефектной нелинейной решетке, связан с их способностью локализовать колебательную энергию порядка нескольких эВ на атом. В настоящей работе методом молекулярной динамики впервые проведено исследование влияния двумерного ДБ на макроскопические свойства (теплоемкость и тепловое расширение) бездефектного монокристалла ГЦК алюминия. Для этой цели применялся стандартный межатомный потенциал с использованием метода погруженного атома. Все расчеты проводились при нулевой абсолютной температуре. Возбуждение ДБ происходило путем смещения атомов из их равновесных решеточных положений соответствующим трем делокализованным нелинейным колебательным модам (ДНКМ), обнаруженным ранее для двумерной треугольной решетки. Выявлено, что сжимающее напряжение увеличивается с увеличением начальной амплитуды, то есть возбуждение двумерного ДБ приводит к тепловому расширению кристалла. Двумерный ДБ характеризуется уменьшением теплоемкости при увеличении амплитуды. При высоких амплитудах колебательная энергия может достигать значений в диапазоне 0,6-1,1 эВ на атом. Все изученные ДБ характеризуются жестким типом нелинейности, то есть увеличением частоты с ростом амплитуды колебаний.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРИРОВАННОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ Al2O3 УПРОЧНЕННОЙ YSZ

Егор Дмитриевич Кузьменко, Сергей Вениаминович Матренин — Tue, 01 Apr 2025 00:00:00 +0000

В проведенной работе были исследованы физико-механические свойства керамики на основе корунда, упрочненного диоксидом циркония, стабилизированным оксидом иттрия. Исследуемый материал был получен на основе механоактивированных нанодисперсных порошков данных компонентов. В работе применялись следующие давления прессования: 50, 100, 200 и 300 МПа. Полученные заготовки были спечены в высокотемпературной печи при температуре 1700 ℃ в воздушной среде. При проведении растровой электронной микроскопии с картированием элементов было установлено наличие корундовой матрицы с равномерно распределенной в ней фазы твердого раствора диоксида циркония и оксида иттрия. После спекания в исследуемых материалах наблюдалась мелкозернистая структура с преобладающим размером частиц 1-9 мкм. Было установлено, что давление 300 МПа является предельным при прессовании данных керамических шихт, при превышении которого возможно появление дефектов прессования. При данном давлении была достигнута наибольшая относительная плотность материала среди исследуемых – 85,12%. Было установлено, что при изменении давления прессования становится возможным достижение свойств материалов в широком диапазоне и адаптирование их под требуемые условия эксплуатации. Так было установлено, что при проведении спекания заготовок полученных в указанном диапазоне давлений прессования модули Юнга изменялись в пределах от 126 до 297 ГПа, а твердость индентирования от 2,25 до 7,95 ГПа.

МОДЕЛИРОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ МЕДИ

Рамиль Тухфатович Мурзаев, Марьям Азаматовна Идрисова, Айрат Ахметович Назаров — Tue, 01 Apr 2025 00:00:00 +0000

С использованием метода молекулярной динамики (МД) проведено исследование соединения двух нанокристаллических блоков меди путем знакопеременных взаимных смещений под действием приложенного давления, моделирующих процесс ультразвуковой сварки металлов (УЗС). Расчетная ячейка для моделирования состояла из двух блоков меди с колончатыми зернами размером 6.26 нм, имеющими общую ось колонны [112] и сечение в форме правильного шестиугольника. Поверхности блоков содержали неровности, описываемые синусоидой с амплитудой 10 Å. Система вначале релаксировалась под заданным давлением от 0.25 до 2 ГПа для достижения равновесия при температуре 300 К, затем блокам сообщались синусоидальные смещения с амплитудой 5 нм в противоположных направлениях. Моделирование показало, что соединение формируется путем расширения области контакта блоков при взаимных сдвигах последних, а первоначальная полость трансформируется в пору, размер которой уменьшается с повышением давления. При некотором критическом давлении происходит полное залечивание поры и образование сплошного соединения. Нанокристалл, образовавшийся в результате соединения, имеет повышенный атомный объем, что связано с релаксацией поры под действием сдвиговых деформаций и напряжения растяжения. Знакопеременная деформация сдвига, происходящая при моделируемой УЗС, приводит к росту зерен, в том числе путем объединения зерен, первоначально принадлежавших двум разным блокам. Это является важным фактором, приводящим к формированию бездефектного соединения при УЗС.

ПРИМЕНЕНИЕ БЫСТРОГО ДЖОУЛЕВА НАГРЕВА ДЛЯ СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ НАНОПЛЕНОК

Айсен Русланович Прокопьев, Ефим Петрович Неустроев — Tue, 01 Apr 2025 00:00:00 +0000

В работе представлен двухэтапный синтез углеродных нанопленок, содержащих в своей структуре графеновые чешуйки. На первом этапе были получены аморфные а-С:Н пленки в низкотемпературном осаждении в плазме метана атомов углерода на подложки Si/SiO₂. Быстрый джоулев нагрев (fast Joule heating) образцов производился при электрическом разряде конденсаторов емкостью 180 мФ, заряженных до напряжения от 100 до 300 В. Для исследований привлечены методы спектроскопии комбинационного рассеяния, сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии и вольт-амперных характеристик. Установлено, что нагрев приводит к значительному росту электропроводности и повышению гидрофобности материала. Максимальные результаты получены при разряде конденсаторного блока, заряженного до напряжения 160 В. Также, при данном напряжении разряда, наблюдается высокая степень структурной упорядоченности углеродных пленок по отношению к образцам, полученных при иных параметрах быстрого джоулева нагрева. Полученные результаты объяснены переходом исходной аморфной углеродной пленки в кристаллическую структуру с преобладанием sp²-гибридизированных связей, имеющую малое электрическое сопротивление. Причиной возникновения водоотталкивающих свойств может являться «эффект лотоса», вызванный формированием сферических частиц размерами до 1 мкм и их конгломератов на поверхности пленки.

СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ИНТЕРМЕТАЛЛИДЕ NiAl ПРИ ОДНООСНЫХ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ДЕФОРМАЦИЯХ В ОТСУТСТВИИ ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ

Tue, 01 Apr 2025 00:00:00 +0000

Методом компьютерного эксперимента проведено исследование структурно-фазовых превращений возможных в интерметаллиде NiAl состава 50 % (ат.) Al и 50 % (ат.) Ni в условиях воздействия высокоскоростной деформации со скоростями превышающими скорость звука 5∙10⁹ с^-1 и 5∙10¹⁰ с^-1. Условия эксперимента задавились такими, чтобы не было диссипации энергии в волнах разгрузки. Взаимодействия между атомами в сплаве задавались в приближении многочастичного потенциала Мишина с соавторами. Монокристалл представлялся в виде куба с длиной сторон ребер 57,6 с ориентацией осей [100], [010], [001]. Показано, что одноосное растяжение сопровождается двумя фазовыми превращениями ОЦК – ОЦК+ГЦК и ОЦК+ГЦК – ГЦК. При одноосном сжатии происходят фазовые превращения ОЦК – ОЦК+ГПУ и ОЦК+ГПУ – ГПУ. Сжатие при температуре 300 К в структуре возникают дефекты упаковки с ГЦК прослойками. При более высоких температурах подобных дефектов не образуется. С ростом скоростей деформации возрастает предел текучести материала. На всех этапах деформация происходит по квазиупругому механизму. В переходных этапах наблюдаются области пластической деформации, однако движение дислокаций реализуется за счет прикладываемого внешнего напряжения без вклада тепловых колебаний решетки.

СТРУКТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ ТОНКИХ КРЕМНИЕВЫХ ПЛЁНОК И ИХ ЛОКАЛЬНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ

Tue, 01 Apr 2025 00:00:00 +0000

Методом конденсации из парогазовой фазы, полученной резистивным испарением кремния в вакууме, были изготовлены тонкие пленки кремния на подложках из силикатного стекла с подслоем меди. Структурное состояние пленок было изучено сканирующей зондовой микроскопией с помощью проводящего зонда. Анализ поверхностного рельефа свидетельствует о высоком качестве пленки, среднее отклонение z-составляющей пленки на медном подслое составляет около 7 нм. А на подложках из силикатного стекла – 1,34 нм. Тонкие кремниевые пленки могут иметь различное структурное состояние в зависимости от метода их получения и условий, при которых происходит их формирование. В нашем случае структурное состояние как кремниевых пленок, так и медного подслоя является кластерным Это следует из распределения структурных составляющих по размерам

Кластеры состоят из небольшого числа атомов и обычно имеют размеры от долей до нескольких нанометров, что приводит к существенному изменению электронной подсистемы, связанной с локализацией электронов и появлением энергетических уровней как в валентной, так и в зоне проводимости и расширение энергетической щели между ними. Такие изменения электронной подсистемы существенно сказываются на электрофизических и оптических свойствах пленок, например, наблюдается увеличение энергии электронов для перехода с одного уровня на другой, что приводит к туннелированию электронов.

Туннелирование электронов сказывается на их транспортных свойствах. Исследование локальной проводимости было осуществлено с помощью сканирующей зондовой микроскопии. Установлены, что в медном подслое и в гибридной структуре Cu/Si наблюдаются нелинейные вольт-амперные зависимости с выраженным участком так называемого «нулевого тока». Наличие такового участка на вольт-амперной зависимости свидетельствует о туннелировании электронов, а ширина этого участка характеризует энергию для совершение туннельного перехода как в самом кластере, так и между смежными. Проводимость же кремниевой пленки на стеклянной подложке отсутствует., что может свидетельствовать о диэлектрических свойствах пленки.