2202ф «Формування структури, магнітних властивостей нанорозмірних плівок FePt(Pd) водневою термообробкою для магнітного запису інформації підвищеної щільності» (Інститут матеріалознавства та зварювання імені імені Є.О. Патона, керівник Ю.М. Макогон).

Нанорозмірні тришарові плівкові композиції Pt(Pd)/Me/Fe і Fe/Me/Pt(Pd) (де Me = Ag, Au, Сu товщиною 0,2; 0,4; 0,6; 10 нм) з різним розташуванням шару Fe(4,6; 5; 15 нм) (верхній або нижній) та Pt(Pd)/(6; 7; 15 нм) з різним розташуванням (верхній або нижній) шарів Pt або Pd були отримані магнетронним осадженням з індивідуальних мішеней Fe, Pt, Pd, Cu Ag, Au  на підкладки SiO₂(100 нм)/Si(001) за кімнатної температури.

Відпал у водні плівок Pd/Fe за температур вище 650 °С призводить до появи стискаючих деформацій та формування текстури (111) у сплаві FePd. Пересичення атомами водню невпорядкованої фази A1 перешкоджає впорядкуванню. Після швидкого термічного відпалу у азоті у плівках присутні розтягуючі деформації, які зникають при підвищенні температури швидкого термічного відпалу до 650 °С.

Інверсія шарів – зміна розташування шарів Pd і Fe (верхній або нижній)  при відпалі у атмосфері водню не впливають на процеси фазоутворення у шаруватих системах Pd/Me/Fe та Fe/Me/Pd з товщинами шарів 4,6 нм-7 нм.

Відпал плівок Pt/Me/Fe і Fe/Me/Pt з проміжними шарами Ag(10 нм) та Au(10 нм) у вакуумі за температури 700 °C протягом 30 с призводить до початку дифузійних процесів і упорядкування у плівках. Більше значення коерцитивної сили має плівка Pt(15 нм)/Au(10 нм)/Fe(15 нм). При збільшенні часу ізотермічного відпалу у вакуумі до 30 хвилин коерцитивна сила у плівках Pt(15 нм)/Au(10 нм)/Fe(15 нм) та Fe(15 нм)/Ag(10 нм)/Pt(15 нм) збільшується і досягає значень ~10,8 кЕ – 13 кЕ. Зі збільшенням тривалості відпалу збільшується кількість впорядкованої фази і, як наслідок, ступінь впорядкування та коерцитивна сила плівок. В тришаровій композиції Pt(15 нм)/Ag(10 нм)/ Fe(15 нм) формується і зростає більше зерен фази L10-FePt в напрямку [001], перпендикулярному площині плівки. Одночасно, в плівках Pt(15 нм)/Au(10 нм)/Fe(15 нм) та Fe(15 нм)/Ag(Au)(10 нм)/Pt(15 нм) зерна фази L10-FePt ростуть з текстурою (111).

Таким чином, встановлено вплив товщини шарів Pd та Fe на дифузійне формування сплаву FePd та його структуру, температуру фазового перетворення А1 у L10-FePd. Шляхом зміни товщини шарів Fe та Pd та атмосфери відпалу можна формувати невпорядковану фазу A1-FePd або впорядковану L10-FePd з необхідними магнітними властивостями.

Зміною послідовності осадження шарів Fe або Pt в нанорозмірних плівках з різним розташуванням шарів металів Fe та Pt з додатковими шарами легуючого елементу Ag(Au) можна також формувати м’які магнітні та жорсткі магнітні шари за рахунок спрямованої дифузії Ag(Au), створюючи неоднорідність хімічного складу за товщиною плівки.

Опубліковано 1 розділ закордонної монографії (видавництво Springer), 1 навчальний посібник, 3 статті у закордонних журналах, що індексуються наукометричними базами даних Scopus Web of Science, 1 статтю подано до друку у фахове видання, що індексується базою Scopus, опубліковано 2 тез доповідей, подано заявку на отримання патенту на корисну модель, захищено 1 магістерську дисертацію і 1 бакалаврську роботу.

2101ф «Вплив йонного опромінення на структуру, абсорбційну здатність та корозійні властивості нанорозмірних металевих композицій» (Інститут матеріалознавства та зварювання імені імені Є.О. Патона, керівник С.І. Сидоренко).

Доведено перспективність методу бомбардування нанотовщинної плоскошарової вакуумно-конденсованої металевої речовини іонами малих енергій – як інструменту цілеспрямованого формування в об’ємі таких градієнтних розподілів структурно-фазових станів, які  забезпечують  нові  властивості. Показано пасивуючий вплив низькоенергетичного йонного опромінення на матеріали плівкових шарів металів. Створено нову модель відновних процесів у нанорозмірних плівкових системах, засновану на ефекті дальнодії бомбардуючих йонів Ar+. Запропоновано ефективний підхід – комбінування низькоенергетичної йонної обробки із термічним відпалом, що дозволяє стабілізувати нанокристалічну структуру матеріалу шляхом гальмування процесів рекристалізації, уповільнити дифузійну взаємодію компонентів, значно підвищити фізико-механічні та адгезійні властивості, і тим самим збільшити термічну стабільність плівкового матеріалу. Доведено, що розвиток окиснювально-відновних процесів можна контролювати додатковою йонно-плазмовою обробкою. Розкрито залежність реакційної здатності поверхні плівкових матеріалів від їх хімічного складу та структури, в тому числі і шорсткості поверхні. Сформовано концепцію про вплив середовища обробки на формування наноструктур, нетипових для масивного стану, з новими перспективними властивостями. Показано ефективність застосування низькоенергетичної йонної обробки для покращення корозійної стійкості поверхні дентальних імплантатів після витримки у бактеріальних середовищах та штучній слині.

Результати НДР впроваджено в навчальний процес: розроблено новий курс лекцій «Інструментарій комп’ютерного дизайну матеріалів», дисципліну «Міждисциплінарні проблеми технологій матеріалів майбутнього» доповнено новим розділом «Матеріали в 6-му і 7-му технологічних укладах», а дисципліну «Основи наукових досліджень» – розділом «Методи зондування поверхні йонними пучками»; підготовлено до захисту 1 кандидатську дисертацію; видано 1 монографію офіційною мовою Європейського Союзу; видано 1 підручник; опубліковано: 9 статей у журналах, що входять до наукометричної бази даних Scopus; 3 тези доповідей на міжнародних конференціях; подано заявку на патент.

Робота відповідає світовому рівню. Ряд отриманих результатів та властивостей є перспективними для високих технологій, що розробляються в компанії ТОВ «Мікросенсор», Київ; НВО «Мелта»; холдингу «Квазар-Мікро. Компоненти та системи» (Дизайн-центр KM211 – компанії-лідера в області дизайну наносистем); «МОТОР СІЧ ИНЭТС-1,2». Результати проєкту будуть затребувані при подачі проєктних пропозицій до конкурсів ряду авторитетних міжнародних проєктно-грантових програм.

2102п «Наукові основи механохімічного УЗУО-синтезу зносостійких покриттів конструкційних сплавів авіаційної техніки для підвищення військової спроможності» (Інститут матеріалознавства та зварювання ім. Є.О. Патона, керівник С.М. Волошко).

Запропоновано новий підхід для створення композиційних зносостійких покриттів, який полягає у реалізації переваг об’єднання ефекту механічної нанокристалізації і перебігу механохімічних реакцій у приповерхневих шарах оброблюваних ультразвуковою ударною обробкою (УЗУО) матеріалів у хімічно-активних та інертних середовищах за кімнатної та кріогенних температур. Це принципово відрізняє запропоновану методику від  відомих методів синтезу об’ємних композиційних матеріалів і забезпечує більш ефективне, порівняно із термічним обробленням та стандартними схемами УЗУО, зміцнення поверхні. Визначені критерії впливу різних технологічних режимів УЗУО на структурно-фазові перетворення, концентраційні неоднорідності, пошарову еволюцію структури, механічні властивості, жаростійкість, зносостійкість та корозійну стійкість композиційних покриттів, сформованих втіленням у поверхневі шари конструкційних сплавів (сталі, латуні, титанові та алюмінієві сплави) дисперсних частинок Ti, Ni, Zr, Al₂O₃,B₄C, BN тощо. Відпрацьовані технологічні режими комбінованого впливу УЗУО та електроіскрової або лазерної обробок. Проведені дослідження забезпечують практичні можливості підвищення ефективності процесів модифікації поверхні конструкційних сплавів та збільшення експлуатаційного ресурсу виробів, а саме: зміцнення поверхні та підвищення зносостійкості до 6 разів, збільшення товщини модифікованого шару від 500 мкм до мм, зменшення тривалості процесів обробки поверхневих шарів матеріалу до декількох десятків секунд, зниження питомих енерговитрат на ~30%. Щодо підвищення жаростійкості, то найкращий ефект досягнуто для титанового сплаву ВТ6 після УЗУО з порошком β-Si₃N₄ – втрата маси після циклічного відпалу за температури 650°С сумарною тривалістю 50 годин зменшується втричі.

Результати роботи, розділи монографій «Модифікація поверхні титанового сплаву ВТ6: ультразвук, лазер» та «Ультразвукова ударна обробка конструкцій і споруд транспортного машинобудування», підручника та двох навчальних посібників впроваджено у навчальний процес. Розроблено нові курси лекцій «Кінетика процесів у матеріалах» та «Твердофазні перетворення» для аспірантів 1-го та 2-го року навчання, а також лабораторний практикум. Опубліковано  1 монографію у вітчизняному виданні, 4 розділи Lecture Notes in Mechanical Engineering у видавництві Springer, одержано 2 патенти на корисну модель. Захищено 2 дипломні роботи, серед виконавців 1 студент з оплатою (1 стаття із студентом) та 2 молодих учених з оплатою. Опубліковано 9 статей у закордонних виданнях: Applied Surface Science,  Surface and Coatings Technology, Surface Engineering, Applied Nanoscience, J. of Materials Engineering & Performance, J. Surface Science and Engineering, Science Review та ін. та 6 статей у фахових виданнях, що входять до бази даних Scopus.

Розробка на рівні кращих світових аналогів. Виконавці НДР входять до складу авторського колективу циклу робіт «Підвищення якості та надійності промислової продукції за допомогою ультразвукових технологій», що номінований на здобуття Державної премії України у галузі науки і техніки 2020 року. Можливі користувачі: ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ, підприємства авіаційної промисловості, транспортного машинобудування. Проведено дослідно-промислову апробацію технології та обладнання для ультразвукової ударної обробки зварних з’єднань корпусних деталей суден при проведенні будівельних та ремонтних робіт на ПрАТ «УДП» в рамках договору про співробітництво.

2224п «Низькотемпературне формування феромагнітних плівкових високовпорядкованих матеріалів для сучасних високих технологій наноелектроніки та спінтроніки» (Інститут матеріалознавства та зварювання ім. Є.О. Патона, керівник І.А. Владимирський).

Досліджено термічно-індуковані структурно-фазові перетворення, а також закономірності їхнього впливу на магнітні та електрофізичні властивості двошарової системи Pt(15 нм)/Fe(15 нм) і плівкових композицій на її основі з додатковими проміжними шарами Au, Mn і Tb, отриманих методом магнетронного осадження на підкладинки термічно-окисненого (шар SiO₂ товщиною 100 нм) монокристалічного кремнію Si(001). Матеріали проміжних шарів обирались з огляду на їхній різний тип взаємодії з Fe і Pt і спорідненість до кисню – від повної нерозчинності у сплаві FePt і практично відсутньою спорідненістю до кисню (Au) до дуже високої спорідненості до кисню з можливістю формування проміжних фаз з Pt або Fe (Tb), а також з проміжним значенням спорідненості до кисню, але наявністю за діаграмою стану трикомпонентної сполуки за рахунок одночасної взаємодії як із Fe, так із Pt (Mn). 

Методами рентгеноструктурного фазового аналізу і мас-спектрометрії вторинних іонів досліджено вплив легування нанорозмірних плівок сплаву MnAl вуглецем на закономірності термічно-індукованого формування їхнього фазового складу. Встановлено, що осадження плівок MnAl-C методом магнетронного розпорошення на підкладинки за кімнатної температури приводить до формування аморфної структури плівкового матеріалу. Відпал за температур, вищих 450 °C, приводить до формування кристалічної фази β-Al₂Mn₃. Підвищення вмісту в плівковому матеріалі вуглецю приводить до зниження температури фазоутворення, а також до стабілізації кристалічної фази γ-Mn, яка характеризується антиферомагнітними властивостями.

Опубліковано 1 закордонну монографію (видавництво Springer), 3 статті у закордонних журналах, що індексуються наукометричними базами даних Scopus і Web of Science, 1 стаття подано до друку у закордонний журнал, що індексуються наукометричними базами даних Scopus і Web of Science, подано 2 заявки на отримання патентів на корисні моделі, захищено 1 магістерську дисертацію, отримано фінансування за програмою НАТО “Наука заради миру та безпеки” на виконання міжнародного проєкту.