Введение к работе
Актуальность темы.
С развитием атомной энергетики и лазерной техники растет потребность в диэлектрических керамических материалах и кристаллах, пригодных для использования в поле ядерных излучений. С середины восьмидесятых, годов в Амурском научном центре Дальневосточного отделения РАН, а с 2000 года в Амурском государственном университете по заданию Министерства Атомной Энергетики под руководством профессора Н.С. Костюкова проводятся систематические исследования радиационной стойкости керамики применительно к электротехническим изделиям для атомной энергетики. Методами рентгеноструктурного анализа, ИК-спектроскопии, электронной микроскопии, теплофизическими и электрофизическими методами комплексно изучаются структура и свойства керамических диэлектриков совместно с НИИ атомных реакторов (г. Димитровград). На основании этих научных изысканий и конструкторских разработок созданы герметичные кабельные вводы в зону локализации аварии для АЭС с реакторами типа ВВР, принятые Межведомственной комиссией из представителей Минатома, МВД, Госатомнадзора, РАН и утверждены технические условия на поставку этих изделий. На сегодняшний день продолжаются исследования для атомной энергетики по программе «Старт». Исследование, радиационной стойкости кристаллических материалов, работающих в устройствах квантовой электроники, микроэлектронике, и возможностей использования ионизирующей радиации для технологических целей проводится Амурским государственным университетом совместно с Институтом металлургии и материаловедения (ИМЕТ) РАН, Институтом общей физики (ИОФ) РАН на протяжении последних лет.
Одной из важнейших проблем физики конденсированного состояния и радиационного материаловедения является необходимость прогнозирования изменения свойств твердых тел при воздействии потоков ионизирующих излучений. Однако массовое исследование материалов путем облучения их в каналах реакторов и с использованием ускорителей является дорогостоящим и, что не менее существенно, весьма долговременным. Одним из подходов к решению этой задачи является синергетический. В твердых телах при воздействии внешних потоков энергии большой мощности, при быстром нагреве и переохлаждении, в других неравновесных условиях образуются точечные дефекты вакансионного и межузельного типа с концентрацией, значительно превышающей термодинамически равновесную. Под воздействием внешних ' потоков энергии конденсированная- среда представляет собой открытую систему, далекую от термодинамического равновесия. Для описания закономерностей поведения таких неравновесных систем, процессов их структурного изменения с самоорганизацией различных структур используются методы и принципы синергетики. Согласно синергетическому подходу неустойчивости возникают при
критических значениях внешних параметров. Возникновение структуры в первоначально хаотической среде является главным атрибутом процесса самоорганизации.
С позиций самоорганизации в материаловедении анализировались промежуточные слои на границах раздела фаз в процессах получения твердотельных материалов, прочность и образование трещин в металлах, появление различных структур в материалах электроники, рост кристаллов. Систематический анализ синергетических явлений (возникновение пространственно-временных неустойчивостей и структур) под действием облучения нейтронами в оксидных и силикатных системах в литературе
ОТСУТСТВУЮТ. ':..'' '
Цель работы: Изучение процессов в функциональных материалах, работающих в неравновесных условиях. Исследование различных по составу материалов и соединений в экстремальных условиях.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1. Исследование оксидных керамических материалов после
нейтронного облучения.
2. Исследование структуры и свойств лазерных кристаллов после
облучения потоками электронов и у-квантов.
3. Моделирование процессов радиационного образования
упорядоченных скоплений дефектов.
4. Экспериментальное исследование и расчет параметров упорядочения
в твердых растворах.
Объекты исследования: корундовая керамика МК (микролит), 22ХС, ГБ-7 до и после облучения нейтронами до флюенса 3,7-1021 нейтрон/см2, кристаллы Mg2Si04, CnMgzSiQt, CrJ^hMfoSiO,,, LiF до и после облучения высокоэнергетическими электронами и гамма-квантами, твердые растворы KAlSisOg-NaAlSijOr-CaAbSiaOg.
Методы исследования: Рентгеноструктурный анализ, оптическая спектроскопия, ИК-спектроскопия, химический анализ, электронная микроскопия, математическое моделирование.
Научная новизна.
-
Впервые исследованы кристаллы Mg2Si04, Cr:Mg2SiC>4, Cr,Li:Mg2Si04 после облучения электронами и гамма-квантами. Установлено возникновение наведенного поглощения и насыщение концентрации центров окраски.
-
Предложен новый подход изучения процессов, происходящих в твердых керамических материалах при облучении быстрыми нейтронами больших флюенсов, с использованием синергетики и компенсационного принципа.
-
Впервые предложена математическая модель образования упорядоченной структуры скоплений точеных дефектов под действием ионизирующего излучения в кристаллах с кубической симметрией;
4. Экспериментально исследованы процессы упорядочения в твердых растворах ряда КАІБізОг-NaAlSi30g-CaAl2Si208 и рассчитаны термодинамические параметры упорядочения.
Научные положения, выносимые на защиту;
1. Упорядочение и самоорганизация радиационных точечных дефектов
после нейтронного облучения в оксидных керамических материалах
проявляется в образовании крупных дислокационных петель вакансионного
типа в основной кристаллофазе корундовой керамики, ориентированных в
направлении оси Ьз. Радиус этих петель достигает 3,2 им, концентрация - Nn
-7,2-1015 см"3.
2. Временная самоорганизация в керамических материалах при
нейтронном облучении обусловлена фазовыми переходами,
сопровождаемыми повышением симметрии кристаллических фаз: а - у —
переход в А1203 с перестройкой тригоиальной структуры R3C в кубическую
Fd3m, переход а - Si02 (кварц) в р - Si02 (кристобалит) с перестройкой
тригоиальной структуры С3і2 в кубическую Fd3m, переход клиноэнстатита в
протоэнстатит с перестройкой моноклинной структуры С2/с в ромбическую
Pmm2.
-
В лазерных кристаллах после облучения электронами в диапазоне флюенсов 2,8 -1014 — 3,5-Ю14 е/см2 происходят процессы самоорганизации: насыщение концентрации центров окраски с достаточным условием образовавшейся диссипативной структуры скоплений. Образование сложных агрегатных центров окраски в лазерных кристаллах Cr:MgiSi04 (500-550 им) и в кристаллах LiF (1250 им) связано с самоорганизацией точечных радиационных дефектов и образованием упорядоченной структуры скоплений.
-
Математическая модель образования упорядоченной структуры мелких скоплений дефектов под действием электронного облучения и упругих полей напряжения дает математическое представление малых возмущений, характеризующих развитие деформационно-диффузионной неустойчивости и позволяет адекватно оценить управляющий параметр самоорганизации точечных дефектов в объеме кристалла с кубической симметрией.
-
Пространственная самоорганизация каркасных алюмосиликатов полевых шпатов обусловлена упорядочением твердых растворов ряда KAlSi303-NaAlSi308-CaAl2Si20g, что подтверждается ИК-спектроскопическими и рентгеновскими исследованиями. Управляющим параметром процесса самоорганизации является конфигурационная энтропия. Скорость убывания энтропии с ростом параметра дальнего порядка носит нелинейный характер."
- Практическая значимость. Полученные данные целесообразно использовать при разработке новых керамических конструкционных материалов и лазерных кристаллов, способных работать в условиях действия ионизирующих излучений. При прогнозировании изменения
свойств материалов в экстремальных условиях эксплуатации и в технологических схемах1 следует учитывать исследованные процессы упорядочения4 в оксидных и силикатных системах и компенсационные эффекты.
Апробация работы. Результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на Н, VI, ХШ Межотраслевом совещании "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 1992, 1996, 2003); IV Международной школе-симпозиуме "Физика и химия твердого тела" (Благовещенск, 1994); Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (Москва, 1995); Научно-технической конференции "Физико-химические процессы в композитных материалах и конструкциях» (Москва, 1996); Научно-технической, конференции "Материалы и конструкции в машиностроении, строительстве, сельском хозяйстве" (Вологда, 1996); Всероссийской научно-технической конференции "Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред" (Барнаул, 1997); II, III, V Региональной конференции "Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование" (Хабаровск, 2001, 2005, Благовещенск, 2002); IV, VIII, IX Региональной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых по физике полупроводников, днэлекгриков и магнитных материалов (Владивосток, 2000, 2004, 2005); Региональной научной конференции «Будущее , амурской - науки» (Благовещенск, 2002); VI, VII, VIII Chinese-Russian Symposium "New materials and technology" (2001, 2003, 2005); «12lh International Conference on Radiation Physics and Chemistry of Inorganic Materials» (Tomsk, 2003); Региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (г. Владивосток, 2003, 2005); 54 научной конференции БГПУ (Благовещенск, 2004); Fouth Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Micro-electronics (Khabarovsk, 2004); Региональная школа-симпозиум «Физика и химия твердого тела» (Благовещенск, 2003); Europhysics Conference on Lasers and Electro- Optics (Munich, 2005); International conference on Laser, Applications, and Technologies (St. Petersburg, 2005); Межд. симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов» (III Самсоновские чтения) (Хабаровск, 2006).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 71 печатной работе, в том числе 41 статье.
Личный вклад автора. Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично или в соавторстве при его непосредственном участии.
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 198 страниц машинописного текста, иллюстрируется 46 рисунками и 11 таблицами. Список использованной литературы представлен 215 источниками.
Автор выражает благодарность научному консультанту профессору, д. ф.-м.н. Иванову Л.И., научному консультанту профессору, д. ф.-м.н.
Астаповой Е.С, профессору, д.т.н. Костюкову Н.С., профессору, д.т.н. Жарикову Е.В., к.т.н. Лебедеву В.Ф., к.т.н. Конюшкину В.А., д.ф.-м.н. Симакову СВ. за участие в работе и обсуждении результатов.
