CC BY
10XVII Всероссийская с международным участием школа - семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых имени академика А.Г. Мержанова
ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПРИЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ
Классен Е.Н., Цебрук И.С., Классен Н.В.
Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка, klassen@issp. ac. ru
DOI: 10.24411/9999-004A-2019-10061
Роль приповерхностных областей твердых тел, и раньше имевшая важное значение в формировании их физических и механических свойств твердых тел, по мере развития нанотехнологий многократно возрастает. Соответственно умножается актуальность развития экономичных методов управления структурой, составом и свойствами зон, примыкающих к поверхности. Ранее в наших работах было показано, что деформационная полировка поверхности твердых тел путем либо обжатия, либо шариковой обкатки приводит к заметному улучшению нескольких эксплуатационных характеристик твердотельных оптических элементов и сцинтилляционных детекторов: повышению радиационной и оптической прочности, увеличению коэффициента оптического отражения, повышению микротвердости, улучшению химической стойкости. Данная работа посвящена дальнейшему развитию деформационных методов улучшающего регулирования приповерхностных свойств материалов.
Были обнаружены два новых явления, существенно расширяющие представления о физических и химических процессах, происходящих в приповерхностных слоях твердых тел при деформационных воздействиях. Оказалось, что при шариковой обкатке за счет того, что в каждой отдельно взятой нанообласти приповерхностного слоя происходят непрерывные изменения как величины, так и ориентации тензора действующих напряжений и соответствующих деформаций, первоначально формируется сильно запутанная наномасштабная структура дислокаций, которая через некоторое время преобразуется в регулярную трехмерную систему нанозерен. Наблюдаются признаки того, что дальнейший деформационный массоперенос производится перемещениями этих «свежесформированных» нанозерен. В такой трехмерной сверхструктуре сильно модифицируются состояния электронной и фононной подсистем, т.к. масштабы периодичности намного меньше, чем длины пробега этих квазичастиц. Более того, при освещении такой материала видимым светом в его приповерхностном слое создаются специфические фотонные резонансы, благодаря которым отражение света от поверхности увеличивается. А если освещение производится в процессе локального деформирования приповерхностного слоя шариковой обкаткой, в нем формируются взаимосвязанные самосогласованные состояния наноструктурных неоднородностей, фононов, электронов и фотонов. Этой взаимосвязанной
XVII Всероссийская с международным участием школа - семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых имени академика А.Г. Мержанова
системой можно управлять, варьируя интенсивность и длину волны света, налагая внешние электрические, магнитные и акустические поля. Тем самым имеется возможность формировать регулируемые наноструктуры сравнительно недорогими методами.
При нанесении на обкатываемую поверхность жидких веществ, нанопорошков или суспензий из жидких связок с твердыми наночастицами обнаружено аномально быстрое и глубокое проникновение этих инородных веществ в глубину приповерхностного слоя. В течение 10 -20 минут обкатки при комнатной температуре глубина такого легирования доходит до 50 микрон, хотя глубина обычного термодиффузионного легирования не превышает 1 - 2 микрон при существенно больших температурах и временах. Оптической и электронной микроскопией этих процессов установлено, что главную роль в таком сверхбыстром массопереносе играют нано- и микротрещины, которые создаваемыми при обкатке знакопеременными напряжениями и деформациями то открываются, то закрываются. Если в открывшуюся при обкатке от растягивающей деформации нанотрещину с поверхности попадает наночастица инородного вещества, то при смене деформации на сжимающую закрывание приповерхностной части трещины создаст в ее нижней части, расположенной под наночастицей, растягивающее напряжение (в соответствии с «правилом рычага»). За счет концентрации напряжений в вершине трещина продвинется глубже, а следом за ней продвинется и наночастица. Циклически повторяющиеся при возвратно-поступательном движении шарика смены деформаций с растягивающей на сжимающую и создадут наблюдаемый поток инородного вещества в глубину приповерхностного слоя.
Этот процесс сверхбыстрого и сверхглубокого легирования имеет перспективы широких применений в технологиях различных несущих конструкций, электронных и оптических устройств. Важно подчеркнуть, что методика легирования шариковой обкаткой не требует особых условий типа высокой температуры или специальной атмосферы. Она может применяться и в открытом поле, и под водой - например, для антикоррозионной защиты корпусов кораблей. Это актуально, например, при освоении Арктики, когда обычная антикоррозионная покраска неэффективна из-за быстрого стирания любой краски частыми ударами льдин. С точки зрения создания принципиально новых материалов интересен вариант внедрения в металлы или полупроводники органических, или биоорганических молекул. До сих пор композиции такого рода представляют собой неорганические наночастицы, внедренные в органические матрицы. Сделать наоборот не удается из-за того, что обычные способы легирования требуют настолько повышенных температур, что органические молекулы разлагаются.
Данная работа выполнялась в соответствии с государственным заданием ИФТТРАН и частично поддерживалась грантом РФФИ 16-29-11702.
