Введение к работе
з Актуальность темы.
Исследования свойств поверхностей материалов, выявляющие ранее неизвестные закономерности их поведения на границах с различными средами, относятся, безусловно, к актуальным научным направлениям. Особенно, если это связано с применяемыми в промышленности коррозионностойкими сталями и многокомпонентными сплавами. Получение качественно новой информации возможно лишь в результате освоения, развития и последующего использования новых методов исследования. В числе таких методов сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) и спектроскопия (СТС).
Использование СТМ и СТС сводится в большинстве случаев к исследованию поверхности на границе с воздухом. Гораздо реже встречаются исследования этими методами с использованием их электрохимических вариантов (ЭСТМ и ЭСТС) поверхности на границе с раствором электролита, при контролируемом потенциале.
Метод ЭСТМ в сочетании с методом ЭСТС открывает большие возможности для изучения локальных энергетических наносвоиств поверхности на границах с различными средами. Характеристики, отражающие физико-химические свойства отдельных атомов поверхности, получаемые методом ЭСТС, невозможно получить никаким другим известным методом исследования наносвоиств проводящих материалов.
В данной работе посредством этих методов были исследованы три сплава системы Fe-Cr-Ni с содержанием Ni = 10, 40 и 70 масс. % (точный состав указан на с. 7), а также Сг и Ni на воздухе и в растворах 0.01 N НС1 и 0.1 N H2SO4. Система Fe-Cr-Ni, являясь основой широко применяемых коррозионностоиких сплавов на основе железа, представляет большой практический интерес для исследования ее поверхностных свойств на атомном уровне. Изучение методами ЭСТМ и ЭСТС поверхностей системы жслезо-хром-пиксль, а таюке чистых хрома и никеля представляется актуальным направлением электрохимической науки, имеющим практическое значение, поскольку процессы, которые проте-
\s\
кают на отдельных атомах поверхности при контролируемых потенциалах в различных средах, определяют электрохимическое поведение поверхности. Цели работы.
Провести комплексное исследование методами ЭСТМ и ЭСТС поверхностей сплавов системы Fe-Cr-Ni и их основных компонентов на границах с воздухом и растворами кислот.
Выявить влияние среды и потенциала образца на локальные электрофизические наносвойства поверхности.
Научная новизна.
Впервые проведено комплексное исследование, сочетающее методы СТМ, СТС, ЭСТМ и ЭСТС, для изучения наносвойств поверхностей сплавов системы Fe-Cr-Ni с различным соотношением компонентов, а также чистых Сг и Ni. Определены параметры, характеризующие закономерности переноса электронов на границе раздела фаз.
Выявлено влияние условий экспериментов на значения коэффициентов, характеризующих основные локальные электрофизические наносвойства поверхности.
Для исследованных сплавов установлено, что регистрируемые локальные электрофизические наносвойства поверхности определяются взаимовлиянием атомов компонентов сплава - наличием матричного эффекта.
Экспериментально установлено, что на границе с раствором при заданном потенциале поверхность более энергетически стабильна, чем на границе с воздухом.
Обнаружено, что на всех поверхностях, исследованных методом сканирующей туннельной микроскопии, регистрируется на атомном уровне места неодинаковой активности с различными донорно-акцепторными свойствами туннелирования электрона. Эти свойства динамически изменяются во времени и по поверхности. Это может являться физико-химической основой установленного ЯМ. Колотыркиным с сотрудниками механизма коррозионного рас-
творения чистых металлов. Этот же эффект, по-видимому, взаимосвязан с природой энергетической неоднородности поверхностей.
Практическая значимость.
Отработана методика совместного использования методов ЭСТМ и ЭСТС в растворах электролитов.
В результате проведенной работы получены данные, характеризующие локальные электрофизические наносвойства поверхностей материалов, среди которых есть широко распространенная в промышленности нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т. Эти данные могут быть использованы для оценки и прогнозирования коррозионного поведения сталей и сплавов.
Достоверность результатов обеспечена воспроизводимостью опытных данных; согласованностью экспериментальных результатов, полученных в широком диапазоне потенциалов в различных средах; соответствием результатов электрохимических измерений известным литературным данным. Большой объем информации о наносвойствах исследованных поверхностей металлов и сплавов на атомном уровне не имеет литературных аналогов.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследований поверхностей сплавов Fe-Cr-Ni и их компо
нентов на границе с воздухом и разбавленными растворами кислот при контро
лируемых потенциалах образца методами in-situ СТМ, СТС, ЭСТМ и ЭСТС.
Обнаруженный матричный эффект, определяющий регистрируемые свойства поверхностей сплавов Fe-Cr-Ni.
Динамическое изменение донорно-акцепторных свойств туннелирова-ния электрона, определяющих наличие и свойства катодно- и анодно-активных мест при контакте с электролитом.
Влияние потенциала образца и природы электролита на состояние его поверхности на атомном уровне.
Апробация работы.
По материалам диссертации было сделано 5 докладов. Результаты работы были представлены на:
XVIII и XX Симпозиумах «Современная химическая физика» (Туапсе, 2006,2008) (3 доклада);
IV Всероссийской конференции «Фагран - 2008» (Воронеж, 2008);
Всероссийской конференции по физической химии и нанотехнологиям «НИФХИ-90» (с международным участием), посвященной 90-летию Карпов-ского института (Москва, 2008).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 5 тезисов докладов.
Структура и объём диссертации. Диссертация содержит 150 страниц машинописного текста, 42 рисунка, 26 таблиц; состоит из введения, литературного обзора, методики, экспериментальных результатов и выводов. Список литературы содержит 148 наименований.
