Введение к работе
Актуальность темы Бурное развитие в последние годы наукоемких областей промышленности приводит к * необходимости создания и использования новых технологий и материалов Однако затраты на изготовление новых материалов и экономическая эффективность от их внедрения не всегда оказываются сопоставимы Иногда намного выгоднее модифицировать имеющиеся материалы с целью придания им необходимых в каждом конкретном случае свойств Наиболее очевидный способ осуществления такой модификации - изменение структуры и уменьшение структурных составляющих материала, что и позволяет достигнуть кардинального изменения свойств
Например, при переходе к малым размерам практически у всех кристаллов ГЦК-металлов при различных видах кристаллизации обнаружена пятерная симметрия, запрещенная в макрокристаллах Частицы и кристаллы с пятерной симметрией обладают следующими особенностями в них нарушен дальний порядок, имеется высокая концентрация двойниковых границ раздела, запрещено трансляционное скольжение дислокаций, четко выражена текстура и, соответственно, анизотропия свойств Ожидается, что покрытия, пленки, фольги и порошки из таких кристаллов и частиц в силу необычности их строения будут обладать специфическими свойствами и найдут широкое применение в электротехнике, электронике, машиностроении и др
Способы, которыми можно получить такие кристаллы, весьма разнообразны, к ним можно отнести конденсацию паров металла на подложку, рост из расплава, кристаллизацию из аморфного состояния и др Стоит отметить, что наибольших размеров кристаллы с осями симметрии пятого порядка достигали при электролитическом способе их получения Этот способ позволяет получить не только отдельные кристаллы, но и покрытия, пленки и порошки из них Основным достоинством этого способа является сравнительно простая технология получения материалов, низкая себестоимость, возможность автоматизации и практически неограниченные возможности по управлению структурой материала путем варьирования условий электролиза
Пентагональная симметрия особенно часто встречается на ранних этапах роста Первые модели образования экзотических пентагональных кристаллов (ПК) были разработаны еще в середине прошлого века, когда сами факты их обнаружения были довольно редки В настоящее время накоплено достаточное количество данных по исследованию ПК, появились новые модели их формирования, однако ни одна из существующих моделей не может полностью объяснить наблюдаемое на
практике многообразие внешних форм ПК, т к они не используют дисклинационных представлений, применение которых, на наш взгляд, представляется наиболее перспективным
В связи с этим изучение начальных этапов образования и механизмов формирования пентагональных кристаллов, изучение особенностей их строения, определение уникальных характеристик ПК и материалов из них видится как одно из наиболее важных направлений материаловедения, поскольку представляет не только чисто научный, но и практический интерес, открывая пути создания материалов с уникальными свойствами
Цель работы Выявить механизмы образования и исследовать
особенности роста пентагональных кристаллов при
электрокристаллизации ГЦК-металлов (на примере меди) на индифферентных подложках, разработать режимы получения из них новых материалов с заданной структурой и характеристиками
Задачи работы В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи
обосновать, выбрать объекты и методы исследований, создать установку для получения ПК,
получить кристаллы с пятерной симметрией разнообразных форм и размеров, исследовать особенности их строения,
найти доказательства единой дисклинационной природы всего многообразия форм роста пентагональных кристаллов,
выявить и исследовать механизм формирования ПК из трехмерных кластеров, имеющих декаэдрическое или икосаэдрическое расположение атомов,
изучить особенности начального этапа зародышеобразования меди на индифферентных подложках и экспериментально проверить основные положения теории тепло- и массообмена, протекающими в островках роста и микрокристаллах, образующихся на начальных стадиях электрокристаллизации меди,
разработать схему, обосновывающую пути создания малых частиц и кристаллов различной конфигурации
Научная новизна В работе получены следующие новые результаты
Показано, что ПК могут образовываться не только из двумерных зародышей, но и из трехмерных кластеров, иметь одну или шесть осей симметрии пятого порядка и форму дисков, конусов, призм, бакиболов, звездчатых многогранников, трубок, стержней и т п Впервые проведена классификация ПК
Показано, что в случае индифферентной слаботеплопроводящей подложки процесс формирования пентагональных кристаллов при
электрокристаллизации начинается из зародышей с декаэдрическим или икосаэдрическим расположение атомов, и протекает по схеме трехмерный кластер — декаэдрический или икосаэдрический островок роста - микрокристаллы с дисклинацией - кристаллы с пятерной симметрией
Разработаны и экспериментально подтверждены дисклинационные модели формирования ПК из трехмерных декаэдрических и икосаэдрических кластеров
Экспериментально исследован процесс формирования при электроосаждении и отжиге полости в пентагональных частицах икосаэдрического типа
Экспериментально подтверждены принципы управления конечной структурой, формой и размерами ПК путем варьирования технологическими параметрами формирования островков роста на начальных этапах электрокристаллизации металла
Теоретическая значимость
Подтверждена гипотеза о единой дисклинационной природе разнообразных пентагональных кристаллов
Разработаны модели образования и роста ПК с 1 и 6 осями симметрии пятого порядка
Впервые экспериментально подтверждены ряд ранее разработанных механизмов релаксации упругой энергии, связанной с дефектом дисклинационного типа
Экспериментально подтвержден один из теоретически известных, а именно - дисклинационно-диффузионный, механизм формирования внутренней полости в малой частице икосаэдрического типа
Подтверждены теоретически разработанные закономерности влияния тепло- и массообмена в растущем островке на формирующуюся структуру конечного осадка меди
Практическая значимость
предложены принципы управления конечной структурой пентагональных малых частиц и кристаллов, растущих в процессе электрокристаллизации Показано, что при варьировании параметров, управляющих процессом электроосаждения, можно получить совершенные ГЦК-кристаллы, большое многообразие пентагональных кристаллов, в том числе нитевидных, а также пленки и покрытия из них Экспериментальные данные могут послужить базисом для создания технологии получения новых материалов, состоящих из пентагональных частиц и кристаллов
создана установка для получения ПК и материалов из них
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
выявленные технологические режимы получения пентагональных кристаллов различной величины и формы на основе меди,
результаты экспериментальных исследований структуры пентагональных частиц и кристаллов
схема образования и роста при электрокристаллизации пентагональных частиц и кристаллов из декаэдрических и икосаэдрических кластеров трехмерный кластер — некристаллический островок роста — микрокристаллы с дисклинацией — кристаллы и частицы с осями симметрии пятого порядка,
кластерно-дисклинационные модели формирования пентагональных кристаллов из декаэдрических и икосаэдрических кластеров,
экспериментально выявленные закономерности влияния технологических условий электрокристаллизации (плотности тока, перенапряжения, рода подложки) на конечную структуру, форму и размеры ПК
Достоверность Достоверность экспериментальной части работы основана на применении современных научно-обоснованных методик и методов исследования, использовании современного исследовательского оборудования и ЭВМ, привлечении взаимодополняющих методов исследования Достоверность теоретических положений и выводов подтверждается хорошим совпадением теоретических расчетов с экспериментальными результатами, а также апробированностью результатов исследований на многих международных конференциях
Личный вклад автора Личный вклад автора состоит в разработке экспериментальных методов исследования, непосредственном проведении экспериментальной части работы с целью проверки теоретических положений и моделей, а также анализе и обобщении полученных результатов
Работа выполнена в рамках приоритетного направления развития науки, технологии и техники РФ «Индустрия наносистем и материалы» при поддержке
Федерального агентства по науке и инновациям, контракты 02 513 11 3038 и 02 513 113084,
Российского фонда фундаментальных исследований, контракт 07-03-97626 на реализацию ориентированного научного проекта
Автор является исполнителем проектов, им получен патент на способ электроосаждения металла, а результаты исследований внедрены на Самарском протезно-ортопедическом предприятии, получены 2 медали «Лауреат ВВЦ»
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы доложены на XIV и XVI Петербургских Чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2003, 2006), Всероссийской научно-практической конференции «Защитные покрытия в машиностроении и приборостроении» (Пенза, 2003), III Международной конференции «Механизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (MPFP) на базе 41 Международного семинара «Актуальные проблемы прочности» (Тамбов, 2003), X Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2003), XV и XVI Международных конференциях «Физика прочности и пластичности» (Тольятти, 2003, Самара, 2006), научно-практической конференции «Теория и практика электрохимических технологий современное состояние и перспективы развития» (Екатеринбург, 2003), Всероссийской школе-семинаре по структурной макрокинетике для молодых ученых (Черноголовка, ИСМАН, 2003), III Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2004), I, II и III Международных школах «Физическое материаловедение» (Тольятти, 2004, 2006, 2007), Всероссийской научно -технической конференции с международным участием «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении», (Тольятти, 2005), семинарах кафедр «Общая физика» и «Материаловедение» Тольяттинского Государственного Университета
Публикации Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 23 научных работах, из них 3 статьи в журналах по списку ВАК
Объем и структура работы Диссертация изложена на 165 страницах машинописного текста и состоит из 4 глав, выводов и библиографии (182 наименования) Работа содержит 97 рисунков и 8 таблиц
