Введение к работе
Актуальность темы. Разработка и создание новых материалов, применяемых в различных областях науки и техники, - важная и актуальная задача физики конденсированного состояния. Одно из приоритетных направлений современного материаловедения -работы, проводимые в области наноматериалов Известно, что физические и механические свойства таких материалов достигают рекордных величин и находят применение в различных сферах стремительно развивающихся нанотехнологий. Комплекс получаемых уникальных свойств определяется созданием в этих материалах соответствующей структуры, которая, как правило, является ультрадисперсной, то есть с размером частиц в нанометровом диапазоне.
Получение нанокристаллических материалов в настоящее время связано с интенсивными внешними воздействиями, к которым, например, относятся такие способы обработки материалов, как механическое сплавообразование, интенсивная пластическая деформация (ИПД) и др Интенсивными внешними воздействиями на структуру материалов являются и лучевые технологии. Исследования изменений структуры металлов и сплавов после взаимодействия пучков частиц с поверхностью показывают, что ионная обработка, в частности, приводит к формированию особых конденсированных состояний, а также уникальных прочностных и физических свойств, которые невозможно получить традиционными способами [1-3]
Изучение на атомарном уровне строения дефектной структуры наноматериалов, полученных с помощью интенсивных внешних воздействий, позволяет целенаправленно влиять на формирование структурных характеристик, находить новые пути и способы их изменения для реализации еще более высоких свойств в объектах исследования. В связи с этим фундаментальные исследования, направленные на изучение изменений атомной структуры нанокристаллических материалов после интенсивных внешних воздействий как радиационной, так и деформационной природы, являются актуальными и важными как с чисто научной, так и с прикладной точек зрения.
Применение многих традиционных структурных
высокочувствительных методов исследования (рентгеноструктурного анализа, высокоразрешающей трансмиссионной и сканирующей электронной микроскопии и др.) в ряде случаев оказывается
электронной микроскопии и др.) в ряде случаев оказывается недостаточным для выяснения морфологии, микроструктурных особенностей и особенно атомной структуры наночастиц.
Изучение нанокристаллических структур, возникающих в результате интенсивных внешних воздействий, с помощью метода полевой ионной микроскопии (ПИМ) является основной целью настоящей работы Использование ПИМ позволяет непосредственно визуализировать и регистрировать атомно-чистую поверхность, анализировать объект исследования в приповерхностном объеме с пространственным разрешением отдельных поверхностных атомов и таким образом определять полученные на поверхности и в приповерхностном объеме структурные изменения и новые, возникшие под влиянием определенного внешнего воздействия, различные состояния вещества.
Цель работы Настоящая работа посвящена
экспериментальному исследованию в атомном масштабе тонкой структуры наноматериалов, полученных в результате интенсивных внешних воздействий Цель работы заключается в определении параметров дефектов кристаллической решетки (размеров, формы, объемной доли и т п), в анализе специфики формируемых структурных состояний в зависимости от типа интенсивного внешнего воздействия.
Научная новизна. В работе с помощью прямого метода ПИМ впервые:
выявлено формирование нанокристаллической субзеренной структуры в объеме зерен никеля, подвергнутого ИПД методом пакетной гидроэкструзии;
установлено пространственное распределение и атомное строение радиационных повреждений в чистой платине, облученной в реакторе ИВВ-2М при температуре ~ 310 К до флюенсов быстрых нейтронов 6,7-10 см" и 3,5 10 см";
обнаружен эффект формирования нанокристаллической блочной структуры в приповерхностных объемах чистой платины в результате облучения ускоренными до 30 кэВ положительными ионами аргона (D = 1016 - 1017 см"2)
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты являются важными исходными данными для
формирования представлений о реальной структуре металлов и сплавов, подвергнутых интенсивным внешним воздействиям.
Изучение (именно в атомном масштабе) структуры нанокристаллических материалов, полученных методом ИПД, позволяет объяснить их уникальные физико-механические свойства, которые существенно отличаются от свойств крупнозернистых материалов, и открывает возможности получения новых материалов с заранее заданными и рекордными физико-механическими свойствами.
Полученная с помощью метода НИМ информация о радиационных кластерах, формирующихся при нейтронном облучении, в частности об их объемной доле и среднем числе содержащихся в них вакансий, может быть использована для верификации расчетов каскадной повреждаемости материалов, в частности каскадной эффективности Данные о формировании нанокристаллической структуры в приповерхностном объеме облученной ионами мишени могут послужить основой для разработки методов повышения механических свойств (износостойкости, коррозионной стойкости) и др
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Атомно-пространственная микроскопика формирования нанокристаллической субзеренной структуры в объеме зерен никеля после ИПД методом пакетной гидроэкструзии.
2 Экспериментальные результаты изучения пространственного распределения радиационных повреждений в чистой платине, облученной быстрыми нейтронами при флюенсах порядка 1017-1018 см"2. Определение атомного строения дефектов и оценка концентрации радиационных кластеров.
3. Обнаружение и детальное исследование в атомном масштабе явления формирования нанокристаллической блочной структуры на атомно-чистой поверхности и в приповерхностном объеме чистой платины после взаимодействия с пучками ионов аргона, ускоренных до 30 кэВ и D ~ 1016 - 1017 см"2
Личный вклад автора: изготовление образцов-острий для полевой ионной микроскопии, получение и обработка экспериментальных данных, обсуждение научных результатов и подготовка рукописей к изданию (в том числе в рецензируемых журналах)
Достоверность результатов работы подтверждается систематическим характером экспериментальных исследований, использованием независимых экспериментальных методик, сопоставлением результатов экспериментов и численного моделирования, а также сопоставлением полученных результатов с результатами других исследователей.
Апробация работы. Результаты исследований, вошедших в диссертацию, докладывались и обсуждались.
- на XI, XIII, XIV и XV Межнациональных совещаниях
«Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2001 г,
2003 г., 2004г., 2005 г.);
XVI и XVII Уральских школах металловедов-термистов (Уфа, 2002 г.; Киров, 2004 г.),
11th International Conference on Fusion Reactor Materials (Kyoto, Japan, 2003 г);
49і International Field Emission Symposium (Graz, Austria,
2004 г );
NATO ARW «Nanostructured Materials by High-Pressure Severe Plastic Deformation» (Donetsk, 2004 г, 2006 г.),
Международном научном семинаре «Наноструктурные материалы - 2004» (Минск, 2004 г.);
VI и VII Международных Уральских семинарах «Радиационная физика металлов и сплавов» (Снежинск, 2005 г., 2007 г );
X Международном семинаре «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург,
2005 г.);
5th International Conference «Nuclear and Radiation Physics» (Almaty, 2005 г.);
II Международной школе «Физическое материаловедение» (Тольятти, 2006 г.),
45-й Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Белгород, 2006 г.),
I Российском научном форуме «Демидовские чтения на Урале» (Екатеринбург, 2006 г);
VII Международной научно-технической конференции «Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых» (Екатеринбург, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 печатных работ (7 статей в рецензируемых журналах, 10 статей в сборниках научных трудов конференций и 10 тезисов докладов), список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, включающих в себя литературный обзор, методику исследования, две исследовательские главы, основных выводов и списка использованных источников. Работа изложена на 114 страницах, включая 39 рисунков и 7 таблиц, список использованных источников состоит из 85 наименований.
