Введение к работе
Актуальность проблемы. При радиационном воздействии на твердые тела выделяется группа явлений, приводящих к значительным изменениям структуры, фазового состава и, п силу этого, свойств материалов. К важнейшим из этих явлений можно отнести образование объемных и поверхностных дефектов, атермический и термический перенос массы. Понимание процессов, контролирующих эти явления, создает основу для прогнозирования работоспособности различных конструкционных и функциональных материалов в радиационных полях, а также для направленной модификации структуры и свойств твердых тел посредством радиационной обработки. Эта информация необходима при разработке материалов ядерной, в частности, термоядерной, космической, ускорительной и электро-вакуумной техники, для более обоснованного выбора режимов ионно-лучевой технологии, широко используемой в микроэлектронике, оптике и других наукоемких направлениях промышленности.
Несмотря на почти вековую историю исследований радиационных эффектов в твердых телах, до сих пор остается дискуссионным вопрос об относительной величине вкладов в изменение структурно-фазового состояния динамических и термоактивируемых процессов. Так, например, одним из наиболее типичных режимов торможения выбитых атомов является каскад атомных столкновений, пристально исследовавшийся экспериментально и теоретически. Тем не менее, выяснение вопроса о том, что в большей степени определяет пространственное разделение вакансий и междоузельных атомов, параметры каскадной дефектной конфигурации, физическое распыление поверхности и атермическое перемешивание в объеме - стадия развития каскада атомных столкновений или стадия релаксации каскадной области, требовало дополнительных фактов. Если принять
доминирующим термоактивируемый массоперенос на стадии релаксации, то радиационное воздействие будет лишь разновидностью теплового -локальная сверхбыстрая закалка. В этой связи вопрос о вклад; стадии столкновений имеет принципиальный характер: обладает лі радиационное воздействие качественным отличием от термического, і можно ли с его помощью преодолевать термодинамические ограничени: на смешение компонентов. Понятно, что решение этого вопрос; представляет не только академический, но и весьма определенны практический интерес.
В диссертационной работе развивается новое научно направление: динамические процессы и состояние облучаемых тверды тел. Актуальность данного направления следует из потребносте интенсивно развивающихся радиационного материаловедения и ионно лучевой технологии.
Цель и задачи работы. Целью работы было исследование основны закономерностей динамических процессов в облучаемых твердь телах, выявления вклада этих процессов в изменения структуры свойств, разработка на этой основе физических принципов ионног перемешивания и ионно-атомного осаждения покрытий и создан} методов направленной модификации поверхности материалов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.
1. Развитие экспериментальных методов исследоваш
первичных радиационных повреждений и атермического атомної
перемешивания, в том числе, с атомарной разрешающей способность»
-
Исследование образования атомных смещений в каскада; пространственной сегрегации разноименных точечных дефектов J формирования каскадных дефектных конфигураций в металлическ; материалах.
-
Выявление связи пространственного распределения дефектов
каскадах с разупорядочением, распылением, внутрикаскадным отжигом дефектов и атермическим атомным перемешиванием в чистых металлах.
4. Исследование структурных изменений при атермическом
атомном перемешивании межфазных границ в системах с различной
равновесной растворимостью и сопоставление этих изменений с
контролируемыми радиационно-усиленной диффузией.
5. Формулирование физических основ ионного перемешивания и
ионно-атомного осаждения для создания высокоадгезионных покрытий
из материалов, термодинамически несмешиваемых с подложками, а
также определение эксплуатационных свойств таких композиций.
Общая методика исследований была направлена на получение информации о динамических процессах, протекающих при торможении выбитых атомов с начальной энергией порядка 0,1 - 1000 кэВ и при скоростях ввода атомных смещений порядка 10~9 - 101 сна/с в чистых металлах, сплавах и бинарных слоистых композициях. Для ввода радиационных повреждений использовались различные ускорители заряженных частиц, а для анализа структуры облученных материалов автоионная микроскопия и атомное зондирование, просвечивающая электронная микроскопия, оже - электронная и рентгеновская электронная спектроскопия, обратное резерфордовское рассеяние. Для анализа структуры покрытий, полученных методом ионно-атомного осаждения, применялись сканирующая электронная и сканирующая туннельная микроскопия, а также стандартные методы контроля термической стабильности, стойкости к механическому и химическому воздействию. Комплекс экспериментальных методов обеспечивал взаимопроверяемость эмпирических данных и, тем самым, их достоверность. Экспериментальные исследования проводились на ускорителях заряженных частиц, ионно-лучевых установках и аналитических приборах ИМЕТ РАН, ИТЭФ, МИРЭА, МИФИ и ИФХ РАН.
б -Научная новизна. В ходе выполнения диссертационной работы были впервые рассмотрены и решены следующие вопросы:
1. Экспериментально изучены формирование каскадных дефектных
конфигураций и сопровождающий его массоперенос в твердом теле,
предложен простой способ количественной оценки основных
параметров этих процессов.
В частности:
- исследованы условия образования атомных смещений в широком
диапазоне начальной энергии каскада и пространственного
разделения компонент пар Френкеля в широком диапазоне температур;
- выявлены закономерности формирования пространственного
распределения дефектов в каскадах, его связи с внутрикаскадной
аннигиляцией пар Френкеля при повышенных температурах облучения,
физическим распылением поверхности, переносом массы за счет
смещающих и замещающих столкновений.
2. Экспериментально исследованы и разработаны механизмы
атермического атомного перемешивания и его влияния на состояние
облучаемого твердого тела.
В частности:
изучено межфазное перемешивание компонентов с различной равновесной растворимостью, обнаружено образование пересыщенных твердых растворов на границе термодинамически несмешиваемых веществ;
выявлена связь атермического переноса массы и энергии атомов отдачи, свидетельствующая о динамическом характере этого процесса;
- оценены диапазоны параметров облучения, при которых
происходит образование твердого раствора за счет динамического
или распад системы за счет термоактивируемого массопереноса.
3. Обоснован и разработан метод ионно-атомного осаждения высокоадгезионных покрытий из термодинамически несмешиваемых с подложкой материалов.
В частности:
- определены режимы ионно-атомного осаждения, позволяющие
преодолеть термодинамические ограничения на смешение и нанести
покрытие в условиях доминирования динамического массопереноса;
- показана высокая стойкость получаемых таким образом
композиций к внешнему термическому, механическому и химическому
воздействию;
- показана возможность использования динамически напыленных
покрытий в электро-вакуумной и аэро-космической технике, оптике,
микроэлектронике, точном машиностроении и приборостроении.
Практическая ценность работы определяется возможностью использования полученных результатов для оптимизации условий ионного перемешивания и ионно-атомного осаждения покрытий, проводимых с целью модификации поверхности конструкционных и функциональных материалов. Проведенные исследования составляют физическую основу для придания поверхности необходимых структуры и свойств посредством радиационной обработки, а также для увеличения представительности имитационных экспериментов, позволяющих прогнозировать поведение материалов в радиационных полях ядерных и термоядерных реакторов, электро-физических установок и космического пространства. Ряд результатов нашел практическое применение в совместных работах с другими научно-исследовательскими центрами.
Создание высокоадгезионных коммутирующих слоев для термоэлектрических преобразователей проводилось в сотрудничестве с НПО "Красная Звезда".
_ О _
Разработка способов диффузионной сварки герметических швої через динамически напыленные подслои из легкоплавких металло: для изделий электронной промьппденности осуществлялось совместно і ШРЭА.
Поиск способов снижения тепловой аккомодации поверхносте летательных аппаратов в набегающих аэродинамических гиперзвуковы потоках проводился в рамках совместной программы исследований ЦАГИ и ВИАМ.
Разработка новых экспериментальных методов исследовали вклада динамических процессов в структурно-фазовое состояни облучаемых твердых тел осуществлялась в тесном сотрудничестве ИТЭФ и ЫИЭМ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Экспериментальные закономерности дефектообразования
каскадах атомных столкновений и их интерпретация в рамкг
представлений о динамических процессах.
-
Экспериментальные закономерности атермического атомної перемешивания и механизм динамического массопереноса в каскад; атомных столкновений.
-
Обнаружение образования пересыщенных твердых растворов п] доминировании динамического массопереноса и определение гран: такого доминирования при изменении скорости образования выбит: атомов и их энергии, обоснование способов направленн модификации поверхности посредством ионного перемешивания.
-
Экспериментальные закономерности динамического напылен покрытий и обоснование методов создания высокоадгезионн покрытий из термодинамически несмешиваемых с подложкой элементе
-
Экспериментальное подтверждение стабильности состояну достигаемого системой при доминировании динамического перенс
- 9 -массы, возможности эксплуатации материалов в данном состоянии при
внешнем термическом, механическом и химическом воздействии.
б. Разработка перспектив использования динамически напыленных покрытий в различных областях техники, а также ряд конкретных технологических решений.
Апробация работы.
Основные положения работы докладывались и обсуждались в следующих научно-исследовательских институтах и вузах: ИАЭ, ХФТИ Укр.АН, ИМАШ РАН, ИЯФ Каз.АН, МГУ, МИФИ.
Результаты работы докладывались на 1,2 и 4 Международных конференциях по исследованию и разработке конструкционных материалов для реакторов термоядерного синтеза (Звенигород-1979, Дубна-1981, Дубна-1990), Советско-американской рабочей группе по материалам термоядерных реакторов (Москва-1980), 1,2,3 и 5 Всезоюзных совещаниях по автоионной микроскопии и автоэмиссии (Харьков-1975, Звенигород-1978, Свердловск-1982, Харьков-1989), Совещаниях по физике радиационных повреждений твердого тела и радиационному материаловедению (Харьков-1980, 1982, 1984, 1985), Международной конференции по радиационному материаловедению (Алушта-1990), 23 Международном семинаре по автоэмиссии (Альбукерк, США-1990), И Всесоюзной конференции "Динамика разреженных газов" (Ленинград-1991), 2 Всесоюзном семинаре "Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов" (Псков-1987), 2 Всесоюзном совещании "Физико-химия взаимодействия ионного и фотонного излучения с поверхностью твердых тел" (Звенигород-1988).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 45-ти печатных работах, принципиальные новшества защищены двумя авторскими свидетельствами.
Структура диссертации. Диссертация состоит иэ введения, 6-ти глав, заїшзчения и списка литературы. Полный объем - 286 стр., в том числе, 148 стр. текста, 95 рис., 16 табл., список литературы содержит 203 работы.
