2816-ф «Фізико-хімічні основи зміцнення поверхні легких конструкційних сплавів ультразвуковою ударною обробкою за кріогенних температур» (Інженерно-фізичний факультет, керівник С.М. Волошко)

Одержані принципово нові наукові знання щодо фізико-матеріалознавчих основ та закономірностей зміцнення поверхневих шарів легких конструкційних сплавів шляхом ультразвукової ударної обробки (УЗУО) за кріогенних температур. Ці закономірності обумовлюються пригніченням процесів динамічного повернення та динамічної рекристалізації, а також ефекту анігіляції дислокацій під дією фактору глибокого охолодження. Доведено можливість формування нітридних сполук в приповерхневих шарах за рахунок явища механодинамічної дифузії атомів азоту із зовнішнього середовища в процесі кріодеформації. Відмінною рисою отриманих результатів від вітчизняних та зарубіжних аналогів є поверхнева обробка матеріалу за кріогенних температур в умовах гідростатичного стиснення замість добре відомих методів кріодеформації всього об’єму матеріалу. Подрібнення вихідної структури до наномасштабного рівня, а також перебіг механохімічних реакцій під дією УЗУО за кріогенних температур (77,4 К) порівняно з традиційною методикою УЗУО надає можливість зміцнення поверхні до ~500 %, збільшення товщини модифікованого шару до ~250 мкм, (на повітрі до ~100 мкм),  зменшення шорсткості поверхні в 2,5 рази, підвищення зносо- та корозійної стійкості, втомної довговічності до ~3 разів, зменшення тривалості процесів модифікації поверхні матеріалу до декількох хвилин.

За результатами НДР розроблено і впроваджено новий лекційний курс «Матеріалознавство низькорозмірних структур» та новий цикл лабораторних робіт «Вторинно-іонна мас-спектрометрія у дослідженнях поверхні твердого тіла» з цієї дисципліни,  розроблено нові розділи «Моделювання процесів аномального масопереносу під дією УЗУО» дисципліни «Комп’ютерне моделювання процесів тепло- та масопереносу» та «Атомно-зондова томографія» з дисципліни «Теорія тепло- та масопереносу», а також оновлено цикл лабораторних робіт із дисципліни «Фізичні методи дослідження». Захищено 2 кандидатських дисертації; видано монографію у видавництві «Наукова думка» та розділ монографії у закордонному видавництві Wiley-VCH, 1 навчальний посібник; підготовано до друку навчальний посібник, підручник та практикум (інструкції до лабораторних робіт з дисципліни «Сучасні експериментальні методики фізичного матеріалознавства»); опубліковано: 26 статей у журналах, що входять до міжнародних наукометричних БД; зроблено 40 доповідей на міжнародних конференціях; одержано 6 свідоцтв про реєстрацію авторського права. Захищено 6 магістерських та 6 бакалаврських робіт.

Робота відповідає світовому рівню. Впровадження УЗУО в інженерію металевих поверхонь дозволить підвищити довговічність робочих деталей і вузлів із конструкційних легких сплавів і, таким чином,  збільшити термін служби устаткування в авіаційній, автомобільній промисловості, машинобудуванні та медицині. Результати представляють практичну цінність для  багатьох підприємств, які об’єднує Державний концерн “Укроборонпром”, а саме: ПАТ “МОТОР СІЧ”; ДП «Антонов»; ДП «Завод 410 цивільної авіації»; ДП «Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро «Прогрес» імені академіка А.Г. Івченка тощо.

2811-ф – «Формування градієнтних станів в наношарових металевих плівкових композиціях через процеси на зовнішній поверхні» (Інженерно-фізичний факультет, керівник С.І. Сидоренко)

Встановлено закономірності енергетично індукованих дифузійних структурно-фазових перетворень в плівкових градієнтно-функціональних матеріалах з суттєво відмінними термодинамічними та кристалохімічними властивостями шарів металів (V-Ag, Pd-Ho, Ni-Cu-Cr та ін.) в рамках підходу до цих процесів як до багатостадійних, наслідком яких є цілеспрямоване формування градієнтних граничних (критичних) станів.

Варіюванням складу атмосфери термічної обробки можливо контролювати параметри кристалічної будови та текстури зерен, морфологію поверхні нанорозмірних плівкових металевих матеріалів. Також показано, що істотний вплив на закономірності структурно-фазових перетворень в нанорозмірних плівкових композиціях чинить ступінь вакууму, в якому проводиться термічна обробка.

Підтверджено ефект «дифузійного насосу», який полягає у тому, що при термічному обробленні в кисне- та воднево- вмісних атмосферах фізико-хімічні процеси на зовнішній поверхні нанорозмірних металевих композицій термодинамічно визначають дифузійне фазоутворення в об’ємі.

Показана можливість вирівнювання хімічного складу за товщиною шаруватих нанорозмірних плівкових композицій при відносно низьких температурах їх відпалу, за яких домінуючим механізмом дифузії є зернограничний механізм. Дифузійне фазоутворення і твердотільні реакції в даному випадку обумовлюються зміщенням границь зерен внаслідок зернограничної дифузії; позаду границі, що рухається, залишається реакційний шар кінцевої фази.

Розвинуто алгоритми «комп’ютерного конструювання» нових матеріалів як поєднання квантово-імітаційного моделювання та дослідної перевірки його результатів.

Показана можливість розробки нового способу керування хімічною активністю нанорозмірних шарів перехідних металів, що використовуються для формування топології мікро- та наноелектронних пристроїв і захисту їх від корозії, шляхом іонного бомбардування. 

За результатами НДР розроблено і впроваджено розділи лекційного курсу «Міждисциплінарні проблеми фізичного матеріалознавства». Підготовлено до захисту 2 кандидатські дисертації – ст. викладача Конорева С.І. «Ефекти структурних змін та термостабільність сонячних елементів нового покоління засобами мультимасштабного моделювання» (науковий керівник проф. Сидоренко С.І.), аспіранта Орлова А.К. «Термічно-індуковані структурні перетворення в нанорозмірних плівках перехідних металів за даними синхротронного аналізу» (науковий керівник проф. Сидоренко С.І.). Захищено 1 кандидатську дисертацію – М.М. Ворон «Управління структурою та властивостями титанових сплавів шляхом оптимізації технологічних параметрів електронно-променевої гарнісажної плавки з електромагнітним перемішуванням розплаву», спеціальність 05.16.04 – Ливарне виробництво, 2015 р. Видано 1 монографію (І.А. Владимирський, Ю.М. Макогон, С.І. Сидоренко «Дифузійне формування нанорозмірних магнітних матеріалів на основі FePt» К.: НТУУ «КПІ ім. Сікорського»), 2017 – 344 с., 1 навчальний посібник (В.В. Холявко, І.А. Владимирський, О.О. Жабинська «Фізичні властивості та методи дослідження матеріалів» , К.: НТУУ «КПІ ім. Сікорського», 2016 – 156 с.); розділи підручника (С.І.Сидоренко, С.М. Волошко «Теорія тепло- та масопереносу», К.: НТУУ «КПІ ім. Сікорського» , 2017 – 208 с. (розділи 8-13)), опубліковано: 8 статей у журналах, що входять до міжнародних наукометричних баз даних; 13 статей у вітчизняних фахових наукових журналах; зроблено 34 доповіді на міжнародних конференціях; одержано 6 патентів та свідоцтв авторського права. Захищено 6  магістерських дисертацій. Розпочато виконання спільного з університетом м. Аугсбург (Німеччина) наукового проекту “Холодна гомогенізація шаруватих тонких плівок на основі Fe/Pt, індукована дифузійними процесами” (2017-2020 рр.), що фінансується Німецьким дослідницьким товариством (DFG).

Робота відповідає світовому рівню. Одержані результати будуть сприяти подальшому розвитку теорії конденсованого стану речовини і дозволять розробити феноменологічну теорію дифузії в нанорозмірних металевих плівкових матеріалах.

2915-ф – «Формування фазового складу, структури  плівок FePd, FePt – середовища магнітного запису і зберігання інформації підвищеної щільності» (Інженерно-фізичний факультет, керівник Макогон Ю.М.)

Магнетронним методом осадження отримано: 1. Зразки нанорозмірних плівок еквіатомного сплаву Fe₅₀Pd₅₀ та композицій – плівка Fe₅₀Pd₅₀ з додатковими шарами Ag та Cu товщиною (0,3 -0,9) нм. Загальна товщина кожної плівокової  композиції 5 нм. 2. Зразки плівок шарів металів з різним співвідношенням концетрацій Fe та Pd: Pd(6 нм)/ Fe(4,6 нм); Pd(7 нм)/Fe(5 нм); Pd(6 нм)/Me(x нм)/Fe(4,6 нм); Pd(7 нм)/Me(x нм)/ Fe(5 нм) з додатковими шарами Me: Cu, Ag товщиною (0,2 -0,4) нм.3. Зразки нанорозмірних плівок шарів металів- Pt/Fe, Pt/Me/Fe, (де Me – Ag, Au, Cu).  Додаткові шари Me: Cu, Ag товщиною 10 нм. Загальна товщина кожної плівокової  композиції до 40 нм. В якості підкладинок застосовані пластини окисненого монокристалічного кремнію SiO₂(100нм)/Si(001) за кімнатних температур.

Проведено термічне обробляння плівкових композиций в різних газових середовищах – у N₂ методом швидкого термічного відпалу (RTA), відпали у водні та у високому (3.х 10^-3Па)вакуумі. Варіювання виду термічної обробки, її температури та часу витримки проведено з метою пошуку оптимального режиму термічної обробки даних плівок для формування в їх структурі хімічно впорядкованої фази L1₀-FePd.

Встановлено, що механізм дифузійного формування магнітно-твердої впорядкованої фази L1₀-FePd та її магнітні властивості в нанорозмірних плівкових композиціях FePd, FePd/Au, FePd/Ag і FePd/Cu при відпалі у атмосфері водню відрізняеться від цих процесів при відпалі у вакуумі. Pd сприяє дисоціації молекулі водню на атоми. Вони при втіленні у кристалічну гратку фази А1 FePd розташувується в октаедричних порожнинах. Це спотворює елементарну комірку і ослаблює зв’язки між атомами Fe↔Pd, що прискорює процес упорядкування. Оптимальними умовами для отримання впорядкованої фази L1₀ є відпал у водні за температури 650 ⁰С з витримкою 1 год плівок FePd/Au, FePd/Ag з товщиною додаткового шару 0,3 нм і FePd/Cu з товщиною додаткового шару 0,6 нм. Заміщення атомів Pd та Fe атомами Ag, Au та Cu при відпалі плівок у водні за температури 650 ⁰С впродовж 1 год призводить до зменшення коерцитивної сили. При більш високих температурах відпалу, або більшої тривалості в плівці збільшується концентрація легуючого елемента (Ag, Au, Cu), що супроводжується формуванням потрійного сполучення FePdMe, де Me –Ag, Au, Cu. Магнітні властивості в плівці практично зникають.

Завдяки науковим дослідженням відбулося удосконалення навчального процесу» у лекційному курсі «Матеріалознавство функціональних тонких плівок та покриттів». Оновлено розділи «Функціональні тонкі плівки у мікроприладах». Підготовано лабораторний практикум з лекційного курсу «Матеріалознавство функціональних тонких плівок та покриттів.Підготовлено до захисту 1 кандидатську дисертацію (Вербицька М.Ю.), опубліковано 5 статей у фахових виданнях України, з них 4 статті у наукометричних базах даних Scopus, зроблено 12 доповідей на 8 конференціях (7 міжнародних (11 доповідей) та 1 всеукраїнська (1 доповідь)), з них 3 доповіді на 2 закордонних. До виконання залучалось  8 студентів та  1 аспірант; студентами захищено 3 магістерські дисертації, 1 дипломна спеціаліста та 2 бакалаврські роботи.