Закономерности формирования структуры и магнитных свойств массивных наноструктурированных сплавов на основе кобальта. Плазменное напыление и динамическое компактирование Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

References

1. Yao D., Ge S., Zhou X. Study on microstructure and soft magnetism of (Fe^Cos^SiO^-* nano-granular films with very high ferromagnetic resonance frequency. Physica B, 2010, vol. 405, p. 1321-1324.

2. Ikeda K., Kobayashi K., Ohta K., Kondo R., Suzuki T., Fujimoto M. Thin-film inductor for gigahertz band with CoFeSiO-SiO2 multilayer granular films and its application for power amplifier module. IEEE TRANS. MAGN., 2003, vol. 39, p. 3057-3061.

3. Yildiz F., Kazan S., Aktas B., Tarapov S. I., Tagirov L., Granovsky B. Ferromagnetic Resonance Studies on (Co40Fe40B20)x (SiO2)i-x Granular Magnetic

Films. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2006, vol. 305, p. 24-27.

4. Gan'shina E. A., Granovsky A. B., Guschin V. S., Perov N. S., Dieny B. Influence of the size and shape of magnetic particals on magnetooptical properties of (Co70 Fe30)xAg1-x granular alloys. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1997, vol.165, p. 320-322.

5. Stogney O. V., Kalinin Yu. E., Sitnikov A. V. Resistive and magnitoresistive properties of granular amorphous CoFeB-SiON composites. The Physics of Metals and Metallography, 2001, vol. 91, no 1, p. 21-28.

© Денисова Е. А., Чеканова Л. А., 2015

УДК 548:537.611.44

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ МАССИВНЫХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ КОБАЛЬТА. ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ И ДИНАМИЧЕСКОЕ КОМПАКТИРОВАНИЕ*

Е. А. Денисова1 , Л. А. Кузовникова2, С. В. Телегин3, В. Н. Саунин3, А. А. Кузовников2

1Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38 2Красноярский институт железнодорожного транспорта - филиал Иркутского университета путей сообщения Российская Федерация, 660028, г. Красноярск, ул. Ладо Кецховели, 89 3Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Проведен сравнительный анализ условий сохранения структурных характеристик и формирования магни-томягких свойств при изготовлении наноструктурированных объемных сплавов CoNiFe-BSi методами динамического компактирования и плазменного напыления.

Ключевые слова: объемные наноструктурированные материалы, динамическое компактирование, плазменное напыление, магнитные свойства.

STRUCTURE AND MAGNETIC PROPERTIES OF NANOSTRUCTURED BULK Co-BASED ALLOYS. PLAZMA SPRAY DEPOSITION AND DYNAMIC COMPACTION

E. A. Denisova1, L. A. Kuzovnikova2, S. V. Telegin3, V. N. Saunin3, А. A. Kuzovnikov2

1L. V. Kirensky Institute of Physics SB RAS 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

2Krasnoyarsk Institute of Railways Transport 89, Lado Ketshovely Str., Krasnoyarsk, 660028, Russian Federation

3 Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

The bulk samples of Co58Ni10Fe5B16Si11 alloy were prepared by two techniques. The regimes of dynamic compaction and plasma spray deposition were selected so that the basic magnetic characteristics remain unchanged. The investigations of structure and magnetic properties of bulk samples were carried out by X-ray diffraction, electron microscopy and correlation magnetometry.

Keywords: bulk nanostructured materials, dynamic compaction, plasma spray deposition, magnetic properties.

Применение наноматериалов и нанотехнологий в космической технике является одним из наиболее важных и перспективных направлений. Достаточно масштабное применение нанотехнологий в космической

технике позволит радикально улучшить массогабарит-ные характеристики космических аппаратов, продлить сроки их пребывания на орбитах, решить проблемы энергообеспечения функционирования этих аппаратов.

*Работа выполнена при поддержке грантов: РФФИ проект № 15-08-06673, РФФИ - ККФН р-сибирь-а проект № 15-4204171, Министерства образования и науки РФ № 169/14.

Решетнеескцие чтения. 2015

Интерес к аморфным и нанокристаллическим сплавам Со58№10Ре5Б1681ц обусловлен техническими характеристиками этого материала (нулевая магнито-стрикция, высокий уровень начальной и максимальной магнитной проницаемости и т. д.). Для практического применения требуется создание массивного материала, сохраняющего свойства наноструктуриро-ванных порошков. Перспективными для компактиро-вания наноструктурированных порошков являются методы, использующие ударные волны. Динамические методы компактирования нанопорошков позволяют преодолеть силы адгезионного сцепления, особенно значимые для наночастиц с их высокоразвитой поверхностью, и при одинаковом давлении достичь большей плотности компактных образцов [1]. После прохождения ударной волны происходит быстрое охлаждение материала, при этом стабилизируются метастабильные фазы [2].

Метод плазменного напыления при создании объемных наноструктурированных материалов имеет ряд преимуществ, так как позволяет наносить покрытия на изделия сложной формы. Плазменное напыление покрытий позволяет формировать материалы в аморфном и наноструктурном состоянии за счет ограничения времени пребывания напыляемых частиц в расплавленном состоянии и высоких скоростей их охлаждения на подложке до 108 К/с. В известных исследованиях [3] нет целостного представления о совокупности факторов, ответственных за формирование наноструктурированного материала: не установлены механизмы формирования кристаллических и аморфных фаз в быстрозакаленных покрытиях при плазменном напылении. Данная работа посвящена изучению структуры и магнитных характеристик объемных наноструктурированных сплавов Со58М110Ре5Б168111, полученных взрывным прессованием и плазменным напылением.

Процесс изготовления объемных образцов включал несколько технологических этапов, таких как получение аморфной ленты Со58№10Ре5Б16§1п путем закалки расплава, отжиг ленты с целью охрупчивания, размол ленты в порошок, плазменное напыление или динамическое компактирование. В ходе этих этапов материал претерпевает существенные изменения на различных уровнях микроструктуры (атомном, субмикронном и т. д.). С целью выделения вклада каждого из технологических этапов в формирование свойств получаемых объемных образцов были проведены сравнительные исследования магнитных характеристик на всех этапах получения компактов. Динамическое компактирование (ДК) велось по плоской схеме. Плазменное напыление (ПН) проводилось на медную охлаждаемую основу в среде аргоно-гелиевой плазмы при помощи дугового разряда.

Ранее было установлено, что оптимальные магнитные свойства объемных материалов из аморфных сплавов на основе Со реализуются при определенном взаиморасположении и весовом соотношении аморфной и микрокристаллической фаз [4], которое можно достичь варьированием режимов напыления и взрывного прессования. При ПН наиболее критичными параметрами являются мощность дугового разряда Рр

(определяет скорость и температуру напыляемых частиц) и температура подложки Тп (определяет скорость закалки частиц), в случае ДК основным определяющим параметром является давление ударно-волнового нагружения Рн. Установлено, что при Рр < 20 КВт и Тп < 150оС для ПН и Рн< 3,2 ГПа для ДК образцы остаются рентгеноаморфными. Определены значения основных магнитных характеристик образцов: спин-волновой жесткости В и намагниченности насыщения М0. Эти величины характеризуют композиционное и топологическое ближнее окружение в сплавах. Анализ полученных результатов свидетельствует о неизменности ближнего порядка (как топологического, так и композиционного) сплава Со58№10Ре5Б16§1п на всех этапах получения объемного материала при выбранных режимах компактирования (М0 ~ 640 Гс и В ~ 117 мев- А2 практически не изменяются). Это коррелирует с результатами дифракционных исследований.

Исследования методом корреляционной магнитометрии [5] показали, что в объемных образцах, полученных как ПН, так и ДК, исследуемый сплав находится в наноструктурированном состоянии. По кривым намагничивания были рассчитаны значения величин поля локальной анизотропии На на всех технологических этапах (см. рисунок).

Зависимости поля локальной анизотропии и коэрцитивной силы от технологического этапа изготовления объемного образца:

1 - исходная лента; 2 - отжиг; 3 - размол; 4 - ПН или ДК

Показано, что оптимальные режимы напыления позволяют изготовить покрытия, в которых величина На будет идентична полю анизотропии исходной ленты, то есть возможно снижение уровня внутренних напряжений до исходной величины. Установлено, что ПН снимает большую часть внутренних напряжений, чем ДК.

Исследования изменений коэрцитивной силы НС в зависимости от технологического этапа для всех образцов позволили установить, что изменение величины НС коррелирует с поведением На. Величина На кроме кристаллографической анизотропии содержит вклад внутренних напряжений. По-видимо-му, изменение НС в процессе изготовления объемных сплавов определяется изменением На, а именно: изменением уровня внутренних напряжений материала.

Таким образом, показано, что в процессе изготовления объемных наноструктурированных материалов выбором условий плазменного напыления и динамического компактирования возможно получение объемных наноструктурированных материалов, основные

магнитные свойства которых совпадают со свойствами аморфных лент идентичного химического состава.

Библиографические ссылки

1. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М. : Физматлит, 2007. 416 с.

2. Ремпель А. А. Нанотехнологии, свойства и применение наноструктурированных материалов // Успехи химии. 2007. Т. 76, № 5. С. 474-500.

3. Tjong S. C., Chen H. Nanocrystalline materials and coatings // Materials Science and Engineering. 2004. R-45. Р. 1-88.

4. Исхаков Р. С., Денисова Е. А., Лепешев А. А. Размытый фазовый переход «аморфная фаза 1 -аморфная фаза 2» в сплаве CoFeNi-SiB // Письма в ЖЭТФ. 1995. Т. 62(7). С. 548-551.

5. Iskhakov R. S., Komogortsev S. V. Magnetic microstructure of nano structured ferromagnetics // Bull. Russ. Ac. Sci.: Physics. 2007. Vol. 71. P. 1620-1625.

References

1. Gusev A. I. [Nanomaterials, nanostructures, nanotechnologies]. Moscow, Physmathlit Publ., 2007, 416 p.

2. Rempel A. A. [ Nanotechnologies, properties and application of nanostructural materials]. Uspehi himii. V.76. no 5. p. 474-500. (In Russ.)

3. Tjong S. C., Chen H. Nanocrystalline materials and coatings // Materials Science and Engineering. 2004. R-45. Р. 1-88.

4. Iskhakov R. S., Denisova E. A., Lepeshev A. A. Diffuse "amorphous phase 1- amorphous phase 2" phase transition in CoFeNi-SiB alloy. Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 1995. Vol. 62. p. 548-551.

5. Iskhakov R. S., Komogortsev S. V. Magnetic microstructure of nanostructured ferromagnetics. Bull. Russ. Ac. Sci.: Physics. 2007. Vol. 71. P. 1620-1625.

© Денисова E. А., Кузовникова Л. А., Телегин С. В., Саунин В. Н., Кузовников А. А., 2015

УДК 539.12.04

РАСЧЕТ ГЕТЕРОГЕННОГО РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНОГО ЭКРАНА ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ*

О. Н. Драганюк, С. В. Телегин

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Рассмотрена возможность применения гетерогенных защитных экранов бортовой аппаратуры космических аппаратов от электронов ЕРПЗ. Приведено сравнение характеристик, рассчитанных методом Монте-Карло, разработанных экранов с аналогом из алюминия.

Ключевые слова: радиационная защита, спутник, моделирование.

CALCULATION OF THE HETEROGENEOUS RADIATION FILTER FOR SPACECRAFTS

O. N. Draganyuk, S. V.Telegin

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation. E-mail:[email protected]

The research explores the possibility to use heterogeneous filters of the onboard equipment of spacecrafts against electrons of natural radiation belts of Earth. The research also studies comparison of the characteristics calculated by the Monte-Carlo method, it presents the developed screens with aluminum analog.

Keywords: radiation protection, the satellite, modeling.

Необходимость защиты электронных блоков спутников обусловлена влиянием космического излучения на орбите, способного нарушить работу навигационных и телекоммуникационных систем космического аппарата. Для обеспечения надежности систем управления спутника эффективнее всего использовать гетерогенные защитные экраны из материалов, способных поглощать или рассеивать излучение. Наиболее опасным на геостационарной орбите является ионизирующее излучение потока электронов естественных радиационных поясов Земли [1]. Количество солнеч-

ных и галактических частиц намного меньше, что позволяет получать удовлетворительные данные при моделировании излучения как пучка электронов с энергиями 0,04-5 МэВ.

При выборе материалов необходимо учитывать их физические свойства, в частности, сечения реакции. При увеличении атомного номера химического элемента увеличиваются потери энергии первичными электронами, но в то же время в материалах из тяжелых элементов с увеличением толщины возникает тормозное излучение.

*Работа выполнена при поддержке Министерства образования РФ, №168/14.