CC BY
11УДК 544.653
КОНСТРУИРОВАНИЕ СЛОИСТОГО НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОГО НЕОРГАНИЧЕСКОГО ТЕРМИЧЕСКИ СТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ, СФОРМИРОВАННОГО ПРИ НАНОРАЗМЕРНОЙ ЛОКАЛИЗАЦИИ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТОКОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Т. А. Константинова, А. И. Мамаев, В. А. Мамаева
Томский государственный национальный исследовательский университет Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 36 E-mail: konstantinova.ta9@gmail.com, aim1953@yandex.ru, vam-tomsk@rambler.ru
Представлена разработка метода конструирования многослойных термостойких покрытий. Рассмотрено влияние строения границы раздела на физические свойства слоистых материалов. Представлены модели процесса последовательного нанесения слоев и их поведения при внешнем термическом и механическом воздействии.
Ключевые слова: термостойкие покрытия, конструкционные материалы, многослойные покрытия, модель поведения при термическом воздействии, модель поведения при механическом воздействии.
CONSTRUCTION OF LAYERED NONMETALLIC INORGANIC HEAT-RESISTANT COATINGS
FORMED AT NANOSIZED LOCALIZATION HIGH FLOW, TO BE USED FOR SPACECRAFT PARTS
T. A. Konstantinova, A. I. Mamaev, V. A. Mamaeva
National Research Tomsk State University 36, Lenina Av., Tomsk, 634050, Russian Federation E-mail: konstantinova.ta9@gmail.com, aim1953@yandex.ru, vam-tomsk@rambler.ru
A method of constructing multi-layer heat-resistant coatings is developed. The influence of interface structure on physical properties of laminates is examined. Process models of successive applying layers and their behavior under external thermal and mechanical stress are demonstrated.
Keywords: heat-resistant coatings, construction materials, multi-layer coatings, model material behavior under thermal stress, model material behavior under mechanical stress.
На сегодняшний день весьма актуальным является вопрос о необходимости разработки новых конструкционных материалов, пригодных для работы без разрушения под нагрузкой при повышенных и высоких температурах. Областью их применения являются такие серьезные сферы промышленности, как авиационная и космическая.
Как известно, слоистые материалы обладают уникальным комплексом физико-механических свойств, существенно превосходящих свойства монолитных материалов. Например, материал со слоем оксидной керамики, нанесенным на металлическую основу, будет характеризоваться поверхностными свойствами имеющейся керамики (твердостью, износостойкостью, жаропрочностью и т. д.), а также объемными свойствами самого материала (конструкционная прочность) [1].
Разработанный группой ученых под руководством А. И. Мамаева новый класс покрытий (наноструктур-ные неметаллические неорганические покрытия) и метод нанесения таких покрытий путем локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз, который сопровождается возникновением микроплазменных процессов в растворах, позволяет создавать композиционные материалы различного состава и назначения [1; 2].
Основным направлением исследований является конструирование слоистых термостойких покрытий и выяснение эффективности их работы при механическом и термическом воздействии.
Разработка слоистых функциональных материалов -задача сложная и включает в себя работы по созданию слоев с необходимыми функциональными свойствами на первом этапе, разработку способов последовательного нанесения слоев, совместимости слоев для создания слоистого материала с необходимыми свойствами и проверку слоистых материалов при испытаниях. Решение столь сложной задачи невозможно без разработки теоретических моделей, описывающих как сам процесс нанесения слоя с заданными свойствами, так и формирование структуры слоев, формирование границы раздела с заданным строением, причем в этом случае необходимо моделирование процесса последовательного нанесения слоев, а также поведение слоев при внешнем воздействии. Формирование границы раздела определенного строения позволяет увеличить стойкость при внешних воздействиях.
В качестве материала основы выбран материал, обладающий высокой температурой плавления [3; 4], например, титан (1608 °С), цирконий (1881 °С). На этот материал последовательно наносятся слои с бо-
Решетневскуе чтения. 2014
лее высокой термостойкостью и низкой теплопроводностью [3; 4].
Для увеличения термостойкости материала на его поверхность наносили наноструктурные неметаллические оксидные слои, при необходимости модифицированные стабилизирующими добавками. Далее на поверхность оксидных слоев наносили тонкие слои меди 1-3 мкм для выравнивания температурных напряжений, с целью повышения стойкости слоистых материалов к локальным термическим и механическим воздействиям. Медь имеет температуру плавления 1080 °С, благодаря тому что медь осаждается в поры оксидного материала, стойкость этих слоев значительно повышается. Толщина не превышает шероховатости покрытия. В дальнейшем наносятся последующие слои материалов.
Таким образом, авторами преследовалась задача создания слоистого материала со слоями, работающими как залечивающие появившиеся трещины, термостойкими и обеспечивающими активную защиту при испарении защитных слоев.
Свойства полученных слоистых материалов в микроплазменном режиме сильно отличаются от свойств материалов, полученных другими методами, так как при импульсном электрическом воздействии на материал в растворах локализуется энергия высокой плотности на границе раздела фаз, что приводит к образованию наноструктурных материалов.
Механические свойства разработанных покрытий следующие:
а) микротвердость - до 21 ГПа;
б) адгезия - до 350 МПа;
в) увеличение износостойкости - в 2-8 раз образцов с ННН-покрытием относительно образцов без покрытия;
г) модуль упругости - не менее 50 ГПа.
В качестве теплофизических свойств покрытий исследовались степень черноты, температуропроводность и теплопроводность.
1. Степень черноты. Сформированные покрытия имеют высокую степень черноты, составляющую не менее 0,96. Это позволяет использовать их для сброса тепла аппаратуры с температурой до 400 °С в вакууме. Так, при одних и тех же условиях теплоизлучаю-щая способность, по нашим данным, металлических пластин с наноструктурным покрытием и без покрытия:
а) алюминиевой пластины, сплав Д16, с наност-руктурным покрытием в 5 раз больше (степень черноты 0,98), чем без покрытия (степень черноты 0,19);
б) магниевой пластины, сплав МА21, с нанострук-турным покрытием в 5 раз больше (степень черноты 0,98), чем без покрытия (степень черноты 0,21);
в) титановой пластины, сплав ВТ 1-0, с наност-руктурным покрытием в 3 раза больше (степень черноты 0,98), чем без покрытия (степень черноты 0,34);
г) циркониевой пластины, сплав Э110, с наност-руктурным покрытием в 3 раза больше (степень черноты 0,98), чем без покрытия (степень черноты 0,31).
2. Коэффициент теплопроводности. Сравнение коэффициента теплопроводности материалов с покрытием и без покрытия:
а) алюминий Д16 с покрытием 67,26 Вт/(м-К), без покрытия 180 Вт/(м-К);
б) титан ВТ1-0 с покрытием 3,78 Вт/(м-К), без покрытия 3,78 Вт/(м-К);
в) магний МА2-1 с покрытием 6,19 Вт/(м-К), без покрытия 6,19 Вт/(м-К);
г) цирконий Э110 с покрытием 1,53 Вт/(м-К), без покрытия 1,53 Вт/(м-К).
Коэффициент теплопроводности соответствует интервалу 0,2-200 Вт/(мК) и позволяет конструировать покрытия заданных свойств.
3. Коэффициент температуропроводности. Именно этот коэффициент определяет термическое сопротивление слоев и способность уменьшать теплообмен. Коэффициенты температуропроводности для образцов с покрытием и образцов без покрытия (толщина образцов 4 мм), толщина покрытия 20 мкм:
а) алюминий Д16 с покрытием 15,4 10-6 м2/с, без покрытия 15,6-10-6 м2/с;
б) титан ВТ1-0 с покрытием 2,81 • 10-6 м2/с, без покрытия 2,91 10-6 м2/с;
в) магний МА2-1 с покрытием 3,5810-5 м2/с, без покрытия 3,75 • 10-5 м2/с;
г) цирконий Э110 с покрытием 1,1910-5 м2/с, без покрытия 1,3410-5 м2/с.
Максимальное отличие достигает 0,25 10-5 м2/с, то есть 7,5 %.
Основные приложения проведенной разработки -космическая техника, электроника, общее машиностроение в части функциональных покрытий, отделки, защиты от контактной коррозии.
Таким образом, возможность изменения в широком диапазоне состава покрытий позволяет изменять функциональные свойства сформированных слоев. В этой части наиболее важным является продолжение теоретических работ по выявлению механизма образования слоистых материалов в плазменном режиме в растворах и способов управления процессом, составом и строением покрытия.
В настоящий момент работы в области создания покрытий методом микроплазменного оксидирования посвящены нанесению однослойных покрытий [1; 2]. Но, несмотря на хорошие физико-механические и электрофизические свойства, в изделиях требуются покрытия, обладающие совокупностью свойств, которые распределены неравномерно по объему слоистого материала.
Слоистые материалы являются перспективным конструкционным материалом для электроники, микроэлектроники и микромашин, поэтому появление новых методов формирования слоистых материалов необходимо. По нашему мнению, приложение достаточных усилий с ряда сторон может обеспечить варианты появления новых устройств.
Библиографические ссылки
1. Мамаев А. И., Мамаева В. А., Дорофеева Т. И., Бориков В. Н. Формирования наноструктурных неметаллических неорганических покрытий путем локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз : учеб. пособие. Томск : Изд-во Том. ун-та, 2010. 360 с.
2. Мамаев А. И., Мамаева В. А. Сильнотоковые процессы в растворах электролитов. Новосибирск : СО РАН, 2005. 255 с.
3. Зиновьев В. Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах : справ. изд. М. : Металлургия, 1989. 384 с.
4. Физические величины : справочник / под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова М. : Энергоиздат, 1991. 1232 с.
References
1. Mamaev A. I., Mamaeva V. A., Dorofeeva T. I., & Borikov V. N. Formation of nano structured inorganic
non-metallic coatings by localization of high flows at the interface. Publ TomSU, 2010, 360 p.
2. Mamaev A. I., & Mamaeva V. A. High current microplasma processes. Novosibirsk, SB RAS, 2005, 255 p.
3. Zinoviev V. E. Thermophysical properties of metals at high temperatures. (Reference publication). Moscow, Metallurgy, 1989, 384.
4. Directory "Physical quantities" // In Grigorev I. S. & Meilihov E. Z. (Eds.). Moscow, Energoatomizdat, 1991, 1232 p.
© Константинова Т. А., Мамаев А. И., Мамаева В. А., 2014
УДК 539.25
ОСОБЕННОСТИ ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ В СУЛЬФИДЕ ЦИНКА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЕГО В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ
Ю. Ю. Логинов1, А. В. Мозжерин2
1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-таП: loginov@sibsau.ru
2Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 Е-таЛ: amozzherin@sfu-kras.ru
Рассмотрены особенности дефектообразования в сульфиде цинка (ZnS), который используется для создания люминофоров, полупроводниковых лазеров, а также для детекторов регистрации ионизирующего излучения. Однако данный материал имеет невысокое значение энергии дефекта упаковки (ЭДУ), что говорит о быстром росте дефектной сети и деградации материала при работе в неблагоприятных условиях.
Ключевые слова: сульфид цинка, полупроводниковые материалы, просвечивающая электронная микроскопия.
THE STRUCTURAL DEFECT FORMATION IN ZINC SULFIDE USED IN SPACE TECHNOLOGY
Yu. Yu. Loginov1, A. V. Mozzherin2
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation Е-mail: loginov@sibsau.ru 2Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation. Е-mail: amozzherin@sfu-kras.ru
The specific features of structural defect formation in zinc sulfide (ZnS) used to create luminophores, semiconductor lasers and detectors for registration of ionizing radiation are discussed. However, this material has a low value of the stacking fault energy (SFE) and it indicates the rapid growth of the defect network and material degradation when operating in adverse conditions.
Keywords: zinc sulfide, semiconductor materials, transmission electron microscopy.
Сульфид цинка (2пБ), входящий в класс полупроводников - важный материал в космической технике. Он применяется для создания люминофоров, полупроводниковых лазеров, а также для детекторов регистрации ионизирующего излучения. Однако данный материал имеет невысокое значение энергии дефекта
упаковки (ЭДУ), что говорит о быстром росте дефектной сети и деградации материала при работе в неблагоприятных условиях. Формирование структурных дефектов в полупроводниках сульфида цинка происходит в процессе выращивания, последующих обработок и легирования. Легирование необходимо,
