Введение к работе
Актуальность проблемы
Современные технологии зачастую предъявляют повышенные требования к целому ряду свойств изделий, которые не могут быть удовлетворены традиционными материалами. В связи с этим особый интерес представляют наноструктур-ные материалы, применение которых получает в последние годы все большее распространение. Причиной этого служит наличие у них весьма интересных, порой уникальных свойств. Причем это утверждение верно не только для однородных, но и для неоднородных, в частности композиционных материалов.
Большинство физических свойств наноматериалов обусловлено не только и не столько их химическим составом, сколько их структурой. При переходе к наномасштабам в них происходят значительные изменения как количественного, так и качественного характера. Например, увеличение протяженности межзерен-ных и межфазных границ, повышение их неравновесности, переход к более совершенной структуре наноразмерных зерен и т.д. Эти факторы существенно изменяют механические характеристики материалов, такие как прочность, твердость, сверхпроводимость и т.д.
Одной из важных характеристик конструкционных материалов является их демпфирующая способность. На возможности образца рассеивать энергию вынужденных колебаний основан информативный метод исследования, позволяющий получить разностороннюю информацию об атомном строении, фазовом составе и других характеристиках материала.
Несмотря на то, что метод внутреннего трения относится к давно известным методам физического исследования, он не потерял своей актуальности и сейчас, поэтому активно применяется для исследования свойств новых материалов в целом и их наноструктурной модификации в частности. Глубокое понимание сущности процессов, ведущих к рассеиванию вводимой энергии и происходящих на внутренних границах раздела в гетерогенных системах, позволяет не только понять причины их зачастую аномального поведения, но и прогнозировать появление новых свойств. Таким образом, изучение каналов диссипации энергии в нано-структурных материалах представляет актуальную задачу физики конденсированного состояния.
Работа выполнена в рамках госбюджетных НИР кафедры физики твердого тела федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет» № ГБ 04.23 «Синтез, структура и свойства перспективных материалов электронной техники» и филиала федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Волжском: ОФ-1-Б-11 «Релаксационные свойства границ раздела в ультрамелкозернистых материалах».
Цель и задачи работы
Целью работы является развитие представлений о механизмах основных релаксационных процессов, происходящих на межзеренных и межфазных границах наноструктурных материалов. Для достижения указанной цели были сформулированы и решены следующие задачи.
-
Разработать модель внутреннего трения в нанокомпозиционных материалах с гранулированными и волокнистыми включениями различного геометрического сечения.
-
Определить основные механизмы, ответственные за появление высокотемпературного фона в пористых нано- и субмикрокристаллических материалах.
-
Установить доминирующие механизмы влияния пор на зернограничный пик внутреннего трения в ультрамелкозернистых материалах.
Научная новизна
В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной.
Разработана модель внутреннего трения нанокомпозиционных материалов, основанная на рассмотрении диффузии вакансий по межфазным границам.
Установлено, что температурная зависимость высокотемпературного внутреннего трения в пористых нанокристаллических материалах имеет экспоненциальный характер с двумя энергиями активации в области низких и высоких температур.
Создана модель, описывающая пик зернограничного внутреннего трения в материалах с ультрамелким зерном, содержащим поры на межзеренных границах.
Определен вид амплитудной зависимости низкочастотного внутреннего трения, обусловленного проскальзыванием по границам зерен, содержащих поры.
Практическая значимость работы
Полученные в работе результаты исследования релаксационных свойств межфазных границ в нанокомпозиционных материалах и межзеренных границ в субмикрокристаллических конденсированных средах углубляют представления о механизмах диссипации в них упругой энергии. Они имеют важное значение для понимания основных фундаментальных процессов в таких структурах. Достигнутый уровень знаний позволяет интерпретировать экспериментальные данные относительно энергии активации релаксационных процессов в наноструктурных однородных и неоднородных материалах, а также прогнозировать их физические свойства. Установленные в ходе исследований физические закономерности могут быть востребованы в научных лабораториях, занимающихся проблемами нано-структурированных конструкционных и функциональных материалов.
Положения, выносимые на защиту
-
Внутреннее трение в нанокомпозиционных материалах с различной геометрией включений в области высоких температур обусловлено работой источников и стоков вакансий на межфазных границах, а также их диффузионными потоками. Зависимость 1п(<2 * Т) от Т1 или In со имеет линейный характер с различными значениями углов наклона к оси абсцисс в зависимости от рассматриваемого интервала температур и частот. Это свидетельствует о наличии двух различающихся величин энергии активации в этих областях.
-
Высокотемпературный фон внутреннего трения в пористых нанокри-сталлических или ультрамелкозернистых материалах имеет вакансионную природу и связан с генерацией и поглощением вакансий на различно ориентированных по отношению к внешнему напряжению границах пор. Его величина описывается экспоненциальной зависимостью от обратной температуры и характеризуется двумя значениями энергии активации в разных температурно-частотных интервалах в зависимости от степени развития диффузионного процесса.
-
Наличие пор, расположенных вдоль тройных стыков зерен, в поликристаллическом материале позволяет использовать модель дислокационного диполя для описания зернограничного внутреннего трения. Положения дислокаций противоположных знаков совпадают с положением тройных стыков. Спектр внутреннего трения имеет характер дебаевского пика.
-
Наличие порогового механизма деформации в системе с параллельно расположенными протяженными порами в границах зерен приводит к появлению амплитудной зависимости величины низкочастотного внутреннего трения.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на 15 международных и всероссийских научных конференциях: Шестнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (Волгоград, 2010); V Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» MPFP-2010 (Тамбов, 2010); XXII Международная научная конференция «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 2010); Вторые московские чтения по проблемам прочности материалов, посвященные 80-тилетию со дня рождения академика РАН Ю.А. Осипьяна (Москва, Черноголовка, 2011); IV международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2011); VIII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Москва, 2011); VIII Международная научная школа-конференция «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (Барнаул, 2011); XXI Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: материалы» (Магнитогорск, 2012); XX Петербургские чтения по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2012); VII Международный семинар по физике сегнетоэ-ластиков, (Воронеж. 2012); IX Российская ежегодная конференция молодых науч-
ных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Москва, 2012); Всероссийская молодежная научная школа «Химия и технология полимерных и композиционных материалов», (Москва 2012); VII Международная конференция «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» MPFP-2013 (Тамбов, 2013); VI Международная школа «Физическое материаловедение» с элементами научной школы для молодежи (Тольятти, 2013).
Публикации и личный вклад автора
По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 5 в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Определение направления исследований, обсуждение полученных результатов и подготовка публикаций осуществлялась совместно с руководителем доктором физико-математических наук, профессором Коротковым Л.Н.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, соискателю принадлежат: [1 - 4, 6 - 16, 18] - получение основных результатов, [5] - планирование и проведение экспериментальных исследований, [17] -проведение численных расчетов. Работы [11, 15] выполнены диссертантом самостоятельно.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 219 наименований. Работа изложена на 154 страницах, содержит 40 рисунков и 1 таблицу.
