Введение к работе
Актуальность темы определяется тем, что модифицирование материалов наночастицами является одним из перспективных методов изменения их свойств и улучшения рабочих характеристик. Выбранные для исследования в данной диссертационной работе отражающие порошки оксида алюминия, диоксида циркония и титаната бария достаточно широко применяются во многих областях техники и промышленности для создания различных покрытий и керамических изделий. Они могут быть использованы в качестве пигментов отражающих терморегулирующих покрытий (ТРП) космических аппаратов (КА). Порошки титаната бария, обладающие фазовым переходом (ФП), при температуре 125 С могут выполнять не только функцию терморегулирования, но и термостабилизации. При частичном замещении катионов бария и (или) титана другими катионами фазовый переход в зависимости излучательной способности от температуры может быть смещен в область рабочих температур КА.
Кроме того, рассматриваемые отражающие порошки применяются для создания керамик, используемых в рентгеновских аппаратах, ускорителях заряженных частиц и ядерных реакторах. Такие области применения подразумевают работу в условиях действия потоков заряженных частиц, ультрафиолетового и видимого излучений, под действием которых в кристаллической решетке порошков образуются центры поглощения, обусловленные дефектами катионной и анионной подрешеток. Поэтому разработка способов повышения радиационной стойкости исследуемых микропорошков является актуальной проблемой.
Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что модифицирование нанопорошками является достаточно эффективным методом повышения радиационной стойкости, благодаря тому, что наночастицы обладают большой удельной поверхностью и являются "стоками" для возникающих при облучении электронных возбуждений. Однако, модифицирование нанопорошками может приводить к ухудшению исходных оптических свойств, что может быть обусловлено большим поглощением собственными точечными дефектами в УФ и видимой областях и хемосорбированными газами в ближней ИК-области спектра. Модифицирование связано с высокотемпературным прогревом порошков, влияние которого на гранулометрический состав, оптические свойства и радиационную стойкость мало изучено.
К настоящему времени имеются отдельные данные по влиянию модифицирования нанопорошками на фото- и радиационную стойкость отражающих порошков. Практически отсутствуют сведения о влиянии условий модифицирования (температуры и времени прогрева, типа и концентрации нанопорошков) на оптические свойства материалов и их стойкость к воздействию ионизирующих излучений.
Цель и задачи работы. Цель работы заключается в проведении теоретических и экспериментальных исследований, направленных на определение влияния модифицирования нанопорошками А120з и Zr02 на оптические свойства и радиационную стойкость отражающих микропорошков оксида алюминия, диоксида циркония и титаната бария; определение оптимальных условий модифицирования для создания материалов с высокой отражательной способностью в солнечном диапазоне спектра и повышенной стабильностью к облучению ускоренными электронами.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
Провести модифицирование различных отражающих микропорошков нанопорошками А120з и Zr02.
Изучить влияние модифицирования нанопорошками на гранулометрический и фазовый состав, спектры диффузного отражения и интегральный коэффициент поглощения микропорошков.
Исследовать кинетику изменения интегрального коэффициента поглощения при облучении ускоренными электронами исходных и модифицированных нанопорошками отражающих микропорошков.
Определить влияние условий модифицирования на спектры диффузного отражения и радиационную стойкость микропорошков.
Изучить влияние энергии электронов на изменение спектров диффузного отражения и интегрального коэффициента поглощения исходного и модифицированного микропорошка оксида алюминия.
Научная новизна заключается в том, что впервые были проведены исследования влияния модифицирования нанопорошками оксида алюминия и диоксида циркония на оптические свойства и радиационную стойкость микропорошков А1203, Zr02, ВаТі03.
Исследованы спектры диффузного отражения и радиационная стойкость микро- и нанопорошков оксида алюминия и диоксида циркония. Установлено, что радиационная стойкость нанопорошков до 40% выше, чем соответствующих микропорошков.
Выполненными исследованиями показано, что при модифицировании отражающих микропорошков А1203 и Zr02 нанопорошками увеличивается стабильность оптических свойств к облучению ускоренными электронами.
Экспериментально определено, что отражательная способность в отдельных областях спектра при модифицировании микропорошков нанопорошками изменяется по сравнению с отражательной способностью немодифицированных порошков: увеличивается до 5% для диоксида циркония и уменьшается до 10% для оксида алюминия.
Установлено, что оптимальная температура модифицирования микропорошка оксида алюминия нанопорошком А1203 (3 масс. %) составляет 900 С.
При модифицировании микропорошков оксида алюминия и диоксида циркония несобственными наночастицами стойкость к облучению электронами может быть увеличена до 78%.
Радиационная стойкость порошка титаната бария повышается до 20% при его модифицировании нанопорошком оксида алюминия по сравнению с модифицированием микропорошком А120з. Модифицирование титаната бария нанопорошком диоксида циркония дает большую радиационную стойкость, чем при его модифицировании нанопорошком оксида алюминия.
Определены закономерности деградации оптических свойств исследуемых микропорошков при облучении ускоренными электронами, рассчитаны коэффициенты математических моделей, описывающих кинетические зависимости.
Дано объяснение физическим процессам, обуславливающим изменение отражательной способности и повышение радиационной стойкости модифицированных наночастицами порошков по сравнению с немодифицированными.
Практическая значимость работы состоит в том, что экспериментально определены технологические режимы обработки отражающих микропорошков
нанопорошками оксида алюминия и диоксида циркония, позволяющие получать пигменты с высокой отражательной способностью и существенно увеличенной стойкостью оптических свойств к действию ускоренных электронов. Результаты исследований могут быть использованы в космической технике при разработке новых терморегулирующих покрытий для поддержания теплового режима космических аппаратов при длительных сроках эксплуатации, а также в строительной, автомобильной, лакокрасочной, бумажной, текстильной и других отраслях промышленности.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждается систематическим характером исследований, объяснением полученных экспериментальных результатов с точки зрения современных теоретических знаний, использованием проверенных экспериментальных и расчетных методик.
Научные положения, выносимые на защиту
При модифицировании исследуемых порошков наночастицами отражательная способность может как увеличиваться, так и уменьшаться.
Радиационная стойкость порошков А1203, Zr02 и ВаТЮ3 увеличивается при модифицировании нанопорошками.
Спектры диффузного отражения и их стабильность при облучении электронами определяются типом, концентрацией и условиями введения наночастиц.
Апробация работы. Результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на XIII международной научной конференции «Решетневские чтения» (г. Красноярск, 2009 г.); IV Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-ем тысячелетии» (г. Томск, 2009 г.); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение (5-е Ставеровские чтения)» (г. Красноярск, 2009 г.); V Всероссийской конференции аспирантов и молодых ученых «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление» (г. Ковров, 2010 г.); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР - 2010" (г. Томск, 2010 г.); 17-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2010" (г. Москва, 2010 г.).
Личный вклад автора состоит в выборе методик исследования, проведении экспериментов, обработке и анализе полученных данных. Автором самостоятельно выдвинуты научные положения, выносимые на защиту, сделаны выводы и даны рекомендации по практическому применению полученных результатов. Диссертационная работа содержит только те результаты, в получении которых соискателю принадлежит определяющая роль. Обсуждение задач исследований, анализ результатов экспериментов, а также окончательная редакция статей, защищаемых научных положений и выводов по работе проводились совместно с научным руководителем. В опубликованных по теме диссертации научных работах соавторы принимали участие в обсуждении результатов исследований, редактировании текста статей, предоставляли материалы и проводили эксперименты на дополнительном оборудовании.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, 4 статьи в сборниках материалов конференций и тезисы 2-х докладов конференций.
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 126 страниц машинописного текста, иллюстрируется 68 рисунками, 20 таблицами. Список цитированной литературы включает 225 работ отечественных и зарубежных авторов.
