Науково-дослідні роботи -2018 рік

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

Створені наукові основи формування нанорозмірних, термічно стабільних плівок на основі FePd, FePt з магніто-твердою фазою L1_о. Запропоновано новий науковий підхід щодо застосування механічних напружень в нанорозмірних плівках на основі FePt і FePd для керування температурою хімічного упорядкування, формуванням фазового складу, структури та магнітними властивостями. Вперше показано, що при осадженні  плівок методами фізичної конденсації, контролювати початковий напружений стан у шарі Fe₅₀Pt₅₀ плівкової композиції Fe₅₀Pt₅₀/Ме/Fe₅₀Pt₅₀, де Ме -(Au, Ag, Cu) можна зміненням товщини та кількості додаткових шарів металу, іх розташуванням, типом підкладки (SiO₂(100 нм)/Si(001) або Al₂O₃), швидкістю нагріву при відпаліта газовим середовищем відпалу (вакуум, азот, Ar + 3 at.% H і H₂).

Розроблені практичні рекомендації щодо контролю процесів хімічного упорядкування при твердофазній реакції А1 → L1_о за рахунок зміни рівня і знака механічних напружень в плівках. Отримано нанорозмірні плівки на основі FePt і FePd зі зниженою температурою формування фази L1_о та підвищеною термічною стабільністю фазового складу і структури, а також поліпшеними магнітними властивостями – збільшеними H_c,, M_s, M_r, орієнтацією  вісі легкого намагнічування с перпендикулярно, або паралельно площині плівки. Застосування цих плівок в якості середовища магнітного запису дозволить підвищити щільність магнітного запису термоактивованим методом та стабільність зберігання інформації.

Результати НДР впроваджено в навчальний процес: розроблено 2 нових розділи: “Керування процесами хімічного упорядкування в плівках FePd і FePt”; “Підвищення щільності магнітного запису і зберігання інформації при застосуванні термоактивованого методу в лекційних курсах з дисциплін “Матеріалознавство функціональних тонких плівок та покриттів”, “Тверді розчини та динаміка кристалічної гратки”, “Фізика поверхні границь розділу тонких плівок”. Оновлено цикли 12 лабораторних робіт. Захищено одну і підготовлено до захисту 2 кандидатські дисертації; видано монографію (1 розділ) та подано до друку 1 монографію англійською мовоюі і один підручник з грифом МОН; опубліковано 16 статей (у тому числі 6 – зі студентами) в журналах, що входять до наукометричних баз даних, з них 6 – у міжнародних виданнях; подано до друку 3 статті (з них 2 – у міжнародні видання), зроблено 30 доповідей на 16 конференціях (з них 28 – на міжнародних, 20 – зі студентами), одержано 2 патенти України та 2 авторських свідоцтва на твір наукового характеру. Захищено 8 магістерських дисертацій та 7 дипломних бакалаврських робіт.

Результати роботи відповідають світовому рівню. Запропоновані підходи та методи мають універсальний характер і можуть бути застосовані при виготовленні функціональних елементів наноелектроніки, наноелектрики.

2101ф «Вплив йонного опромінення на структуру, абсорбційну здатність та корозійні властивості нанорозмірних металевих композицій», (інженерно-фізичний факультет, керівник С.І. Сидоренко)  

Затверджене технічне завдання та одержано номер державної реєстрації НДР. Науково обгрунтувано вибір об’єктів дослідження, одержано серію зразків для дослідження та проведено їх низькоенергетичну йонну обробку. Узагальнено закономірності вторинної іонної емісії при бомбардуванні металевих поверхонь протонами та іонами, розглянуто особливості прояву матричних ефектів. Досліджено процеси формування дефектної структури та поверхневої релаксації кристалічної гратки у моно- та багатошарових плiвках перехiдних металів після низькоенергетичної йонної обробки.

Проведений структурно-фазовий аналіз тришарових плівкових композицій Ni/Cu/V/Si(001) та  Ni/Cu/Cr/Si(001) як після термічного відпалу в атмосфері аргону, так і після  низькоенергетичного опромінення іонами аргону в інтервалі енергій: 400 еВ – 2000 еВ. Аналіз проведено із використанням синхротронного випромінювання (RIKEN SPring-8 Center, BL44B2) методом ширококутового рентгенівського розсіювання ковзаючого пучка (GIWAXS). Встановлено, що низькоенергетичне іонне опромінення зовнішньої поверхні нанорозмірних композиції при певних порогових значеннях енергії та часу обробки ініціює перебіг процесів масопереносу за дефектно-градієнтно-індукованим механізмом. Наявність градієнту концентрації дефектів по товщині плівкового матеріалу виступає в якості додаткової до градієнту концентрації рушійної сили масопереносу. В інтервалі енергій 600 еВ – 800 еВ та тривалості обробки 20 – 30 хвилин досягається суттєве зменшення концентрації оксидів основних компонентів і підвищення корозійної стійкості. Створено моделі для візуалізації структурно-фазових змін під дією йонного опромінення. Показано, що після різних режимів йонного бомбардування відбувається формування нетипових, порівняно з масивним станом, структурно-концентраційних та концентраційно-фазових неоднорідностей по товщині та об’єму плівкового матеріалу – термодинамічно нерівноважних, але кінетично стійких метастабільних структур різного типу: твердих псевдорозчинів заміщення домішок, проміжних фаз взаємно нерозчинних елементів,  багатокомпонентних проміжних фаз, структур із аномально високою концентрацією дифузантів у границях зерен матриці. 

            У звітному році з використанням результатів виконаних робіт розроблено і впроваджено нові курси лекцій «Інструментарій комп’ютерного дизайну матеріалів», «Основи моделювання фізичних процесів», підготовлено до друку навчальний посібник та підручник, опубліковано 8 статей (3 у закордонних та 5 у фахових виданнях, з яких до міжнародних наукометричних баз даних SCOPUS  входять 8), прийнято до друку 4 статі (2 статті у закордонних та 2 у фахових виданнях SCOPUS), зроблено 11 доповідей на міжнародних конференціях (з них 2 – закордонних), 3 свідоцтва про реєстрацію авторського права на твір наукового характеру, подано заявку на патент. До виконання залучалось 6 студентів, з яких 4 з оплатою. Захищено 3 магістерських роботи та 3 бакалаврські роботи, до аспірантури зараховано одного аспіранта. Підготовано до захисту кандидатську дисертацію А.К. Орлова. Відповідальним виконавцем Владимирським І.А. одержано грант Президента України для підтримки наукових досліджень молодих учених та стипендію Кабінету Міністрів України для молодих вчених. Відбулось 3 наукових стажування за кордоном, виконується міжнародний проект, подано на конкурс 4 проектних пропозиції.

Ф75/146-2018 від 03.09.2018 «Низькотемпературне формування магнітно-градієнтних нанорозмірних матеріалів на основі FePt» (інженерно-фізичний факультет, керівник І.А. Владимирський)

Виявлено закономірності термічно-індукованого структуро- та фазоутворення в нанорозмірних плівкових композиціях на основі Pt/Fe з додатковими шарами легуючих елементів, що мають різні механізми взаємодії з основними елементами (є в них не розчинними або здатні до формування з ними хімічних сполук).

Зокрема, за допомогою досліджень методами рентгеноструктурного фазового аналізу, пошарового хімічного аналізу методом мас-спектрометрії вторинних нейтральних часток і виявлення магнітних властивостей методом SQUID-магнітометрії виявлено послідовність дифузійного фазоуторення в нанорозмірних плівкових композиціях Pt(15 нм)/Mn(10 нм)/Fe(15 нм) при їх термічній обробці у вакуумі: Виявлено, що на початкових етапах термічної обробки формується впорядкована подвійна фаза PtMn, а також спостерігається виражена сегрегація Mn на вільній поверхні. На наступному етапі відбувається дифузійне формування антиферомагнітної фази FeMn, що супроводжується суттєвим зменшенням загальної намагніченості плівкових композицій. Завершальний етап перебігу дифузійних процесів супроводжується формуванням невпорядкованої фази Fe₃Pt.

Також досліджено вплив введення додаткового проміжного шару Tb на дифузійні процеси і температури фазових перетворень в нанорозмірних шаруватих композиціях Pt(15 нм)/Tb(10 нм)/Fe(15 нм) при термічній обробці у вакуумі. Встановлено, що на початковому етапі термічної обробки (215°С) композиції з додатковим проміжним шаром Tb відбувається формування інтерметалідної фази Pt₂Tb, а на наступному етапі, при температурі 280°С – формування невпорядкованої фази А1-FePt. При цьому активно розвиваються процеси окислення Tb, а також формування його силіциду. Впорядкована фаза L1₀-FePt в даних композиціях починає формуватися при температурі 500°С.

За результатами роботи опублікована 1 стаття у закордонному виданні, 1 статтю подано до друку та зроблено 1 доповідь на міжнародній конференції з опублікуванням тез.

2102п «Наукові основи механохімічного УЗУО-синтезу зносостійких покриттів конструкційних сплавів авіаційної техніки для підвищення військової спроможності» (інженерно-фізичний факультет, керівник С.М. Волошко).

Затверджене технічне завдання та одержано номер державної реєстрації НДР. Науково обгрунтувано вибір об’єктів дослідження, запропоновано нові методики УЗУО для механохімічного синтезу зносостійких покриттів та одержано серію зразків для дослідження. Проведено рентгеноструктурний аналіз, трансмісійну електронну мікроскопію, локальний хімічний аналіз на растровому електронному мікроскопі Tescan Mira 3 LMU з енергодисперсійним аналізатором, виміряно мікротвердість зразків до і після обробки, зносо- та корозійну стійкість. Застосовано методику наноіндентування (microhardness/scratch tester “Micron-gamma”), а також використано интерференційний 3D профилометр “Micron-alpha”.

Відпрацьовано оптимальні режими УЗУО для синтезу зносостійких покриттів та зміцнення поверхні легких конструкційних сплавів. Досліджено жаростійкість та мікротвердість поверхневих шарів титанового сплаву ВТ6 після УЗУО із додаванням у зону впливу порошків оксидів Al₂O₃ та Cr₂O₃. Доведено можливість синтезу шляхом такої обробки композиційних покриттів товщиною від 5 мкм до 25 мкм. Максимальне зростання мікротвердості (HV) в 1,7 разів спостерігається при додаванні порошку Cr2O3, але сформоване покриття має незадовільну суцільність. У той же час, втрата маси внаслідок термічної обробки (500 ºС, 100 годин) виявилась найменшою для зразків після УЗУО з порошком Al2O3, що свідчить про істотний позитивний вплив такої обробки на жаростійкість сплаву ВТ6. При цьому мікротвердість приповерхневої області матеріалу збільшується у 1,5 рази. При використанні суміші порошків досягаються проміжні значення товщини покриття, його мікротвердості та жаростійкості. Для практичних застосувань оптимальним є синтез композиційних покриттів ультразвуковою ударною обробкою поверхні сплаву ВТ6 з порошком Al2O3, що дозволяє досягти значення HV 4,5 ГПа та зменшити втрату маси зразків після термічної обробки з ~13% до ~0,03%.

Доведено можливості низькотемпературного синтезу твердих покриттів на сплавах з низькою температурою плавлення і високою спорідненістю до кисню, таких як алюмінієві або магнієві сплави. Синтезовано тверді покриття ZrN та ТiN на алюмінієвому сплаві Д16. Для досягнення високої адгезійної міцності між покриттям і субстратом, використане попереднє низькоенергетичне йонне опромінення поверхні сплаву для видалення природного оксидного шару. Проведено металографічні та електронно-мікроскопічні дослідження структури сформованих покриттів, визначено умови формування мікро- та наноструктур в поверхневих шарах. Обрані та використані оптимальні технологічні режими дозволили отримати покриття стехіометричного складу товщиною ~2 мкм з нанорозмірною стовпчастою мікроструктурою з розміром стовпчастих зерен 20-50 нм уздовж поперечного перерізу. У порівнянні із вихідним сплавом синтезовані покриття мають високі антикорозійні властивості у сольовому розчині та значення мікротвердості (~15-17 ГПа), а також низький коефіцієнт тертя і високу зносостійкість при зворотному ковзанні в рідкому парафіні.

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.

У звітному році з використанням результатів виконаних робіт розроблено і впроваджено нові курси лекцій «Кінетика процесів у матеріалах» та «Твердофазні перетворення» для аспірантів 1-го та 2-го року навчання, підготовлено до друку два навчальних посібники та підручник, 11 статей (4 у закордонних та 7 у фахових виданнях, з яких до міжнародних наукометричних баз даних SCOPUS входять 10, прийнято до друку 6 статей (3 статті у закордонних та 3 у фахових виданнях SCOPUS), зроблено 13 доповідей на міжнародних конференціях (з них 2 – закордонних), 3 свідоцтва про реєстрацію авторського права на твір наукового характеру. До виконання залучалось 6 студентів, з яких 3 з оплатою. За результатами наукових; сумісниками по темі опубліковано розділ монографії у закордонному виданні та опубліковано 7 статей, досліджень студентами захищено 4 магістерських роботи та 2 бакалаврські роботи, до аспірантури зараховано одного аспіранта. Відбулось 2 наукових стажування за кордоном.