Науково-дослідні роботи – 2022 рік

2405ф «Структурно-фазові механізми керування комплексом поверхневих властивостей конструкційних і функціональних сплавів комбінованими тепловими, йонними та деформаційними впливами» (Навчально-науковий Інститут матеріалознавства та зварювання імені Є.О. Патона, керівник С.М. Волошко).

Проведено порівняльний аналіз змін мікротвердості, структурно-фазового стану, ступеню деформації кристалічної гратки, рівню залишкових напружень стиснення та трибологічних характеристик сталі 40Х13 після пом’якшувальної термічної обробки (Т=800°С) з наступною ультразвуковою ударною обробкою (УЗУО) у різних середовищах. Підвищення мікротвердості поверхні зразків, оброблених в аргоні та на повітрі, відповідно сягає ~2,5 та ~3 разів.  Запропоновано новий спосіб формування антибактеріальної поверхні імплантатів з металевих сплавів для поліпшення довгострокової біологічної сумісності з живим організмом людини шляхом втілення іонів Ar (енергія 6±0,1 кеВ, доза опромінення ~5•10¹⁹ іон•см^-2). Ефективність низькоенергетичного йонного опромінення титанових сплавів полягає у пригніченні росту колоній культури Staphylococcus aureus (до 100% для ВТ1-0 и до 85% для ВТ6). Доведено ефективність модифікації поверхневих шарів алюмінієвого сплаву AMг6 електроіскровим легуванням вольфрамом з фінішною УЗУО щодо комплексного покращення мікроструктури, міцності та корозійних властивостей. Проведене порівняння високочастотного зміцнення (ВЧЗК) сталевими кульками та локальної високочастотної ударної обробки (ВЧУО) ударним елементом. ВЧУО дозволяє досягти більш суттєвого зміцнення сплаву ВТ6 (у 2 р.) за менший час (120 с). Перевагою ВЧЗК є більш швидке подрібнення структури до менших розмірів кристалітів, а також високі макроскопічні напруження стиснення. Вибір методу обробки визначається формою та розмірами виробів, а також необхідним рівнем зміцнення та шорсткості поверхні.

Опубліковано монографію та розділ монографії у закордонних виданнях, отримано 2 авторських свідоцтва, подано заявку на винахід, видано навчальний посібник, опубліковано 12 статей у журналах, що входять до наукометричної бази даних Scopus, та 3 прийнято до друку, 6 тез доповідей на міжнародних конференціях (3 з яких індексуються Scopus), рекомендовано до захисту дисертацію Круглова І.О. на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю «132» Матеріалознавство. Результати роботи використані у навчальному процесі для вдосконалення викладання дисципліни «Термодинаміка та кінетика дифузії»: лекційний матеріал доповнено новим розділом «Аномальний масоперенос». Магістр А. Лозова є співавтором 2 статей (Scopus), прийняла участь у міжнародній конференції «Nanomaterials: Applications & Properties» (Краків, Польща) і захистила з відзнакою кваліфікаційну роботу. До виконання залучались з оплатою: студент (А. Лозова), аспірант, 3  молодих учених.

2502ф «Особливості формування впорядкованих наноструктур FePd та FePt(Pd) – функціональних елементів спінтроніки, сенсорики, магнітного запису інформації» (Навчально-науковий інститут матеріалознавства та зварювання імені Є.О. Патона, керівник Ю.М. Макогон).

Запропоновано застосування нових режимів термічної обробки та використання Рамановської спектроскопії комбінаційного розсіювання для дослідження плазмонно-резонансних властивостей та магнітних станів наноструктурних плівок на основі FePt та FePt(Pd).

Плівки FePt, FePd та плівкові композиції FePd/W(0,3-0,9 нм), FePt(5-20 нм)/Ag(0,3- 1,2 нм),  FePd(5-20 нм)/Ag(0,3-1,2 нм) отримано магнетронним методом осадження на підкладки термічно окисненого (шар SiO₂ товщиною 100 нм) монокристалічного Si(001). Проведено термічну обробку плівкових композицій у середовищі водню та вакуумі в інтервалі температур 500 °С – 700 °С тривалістю 1 год. Фазовий склад та структуру плівок нанорозмірної товщини (5-20 нм) на основі FePt та FePd без легуючих елементів та з додатковими шарами Ag  (або W) визначено за допомогою методів рентгеноструктурного фазового та електронографічного аналізу. Магнітні властивості досліджено методом феромагнітного резонансу (ФМР).

Встановлено закономірності формування впорядкованої фази L1₀-FePt та L1₀-FePd. Впорядкована фаза L1₀ формується при відпалі у водні тривалістю 1 год в процесі термічно активованої  твердотільної реакції при температурах вище за 500 °С. Додавання Ag сприяє зміні текстури зерен (110) у плівках FePt та  FePd на (111).

Під час осадження в плівках FePd/W) формується рентгеноаморфна структура. Відпал у вакуумі призводить до формування текстури (111) у сплаві FePd. Відпал за температури 650 °С тривалістю 1-2 годин призводить до появи ознак формування впорядкованої фази L1₀ на дифрактограмах. Плівкові композиції FePd/W додатково досліджено методами резистометрії (чотирьохзондовий метод), SQUID-магнітометрії, резерфордівського зворотного розсіювання. Дослідження магнітних властивостей плівок FePd/W показує формування магнітно-тверда фази, яка не має вираженої магнітної анізотропії (магнітно- ізотропна). Додавання легуючого шару W до нанорозмірної плівки FePd ускладнює ріст зерен, при цьому зменшується коерцитивна сила плівок.

Плазмонно-резонансні властивості плівок FePd після відпалу у вакуумі досліджено спектроскопією комбінаційного розсіювання з лазерними джерелами світла з довжиною хвилі 633 нм або 785 нм. Пік люмінесценції з найбільшою амплітудою відповідає зразку з відпалом у вакуумі тривалістю 1 год за температури 650 °С. При цьому його амплітуда більше, ніж від підкладки. Такий ефект відбувається при посиленні люмінесценції плівкою FePd. Така нелінійна зміна інтенсивності спектрів є обґрунтуванням прояви ефектів примусового комбінаційного розсіювання, внаслідок  якого відбувається посилення  коливань атомів або молекул. При взаємодії з воднем структура плівок стає більш впорядкованою. Низькорозмірні плівки на основі FePd відносяться до топологічно-невпорядкованих середовищ і характеризуються ближнім порядком впорядкування поміж атомів з сильною обмінною взаємодією.

Опубліковано 2 монографії, 1 стаття у закордонних журналах, що індексуються наукометричними базами даних Scopus Web of Science, опубліковано 3 тези доповідей, отримано 5 свідоцтв про реєстрацію авторського права на твір.

2401п «Низькотемпературне формування нанорозмірних плівкових матеріалів з ефектом пам’яті форми для сучасних мікроелектромеханічних систем, прикладна» (Навчально-науковий Інститут матеріалознавства та зварювання імені Є.О. Патона, керівник А.К. Орлов). Обсяг фінансування в 2022 році:610тис. грн.

Відпрацьовано методики отримання нанорозмірних тонкоплівкових систем з використанням електронно-променевого та магнетронного методів осадження. Методом магнетронного осадження підготовлено п’ять нових серій тонкоплівкових зразків системи Ni-Ti на підкладки монокристалічного кремнію Si(001) з варіюванням кількості нанорозмірних шарів та їх хімічного складу. Зокрема, підготовлено наступні серії зразків: Ni(30 нм)/Ti(30 нм), [Ni(15 нм)/Ti(15 нм)]_2x, [Ni(10 нм)/Ti(10 нм)]_3x, Ni(30 нм)/Ag(10 нм)/ Ti(30 нм), Ni(30 нм)/Cu(10 нм)/Ti(30 нм). Проведено ізотермічні відпали досліджуваних тонкоплівкових зразків з варіюванням (а) середовища (високий вакуум 10^-4 Па та атмосфера продувного аргону за тиску 200 Па), (б) температури (від 300 ^оС до 700 ^оС) та (в) тривалості (від 15 хвилин до 3 годин) термічної обробки. Зміни фазового складу та структурних властивостей в залежності від параметрів термічної обробки досліджено методами структурного аналізу з використанням традиційного мідного випромінювання (дифрактометри Rigaku ULTIMA та Rigaku RINT) та синхротронного випромінювання за методикою ширококутового розсіювання ковзаючого рентгенівського променя (GIWAXS) на бімлайні BL19B2, RIKEN SPring-8 Center. Показано, що зменшення товщини та збільшення кількості окремих шарів Ni та Ti за умов збереження загальної товщини системи у 60 нм призводить до зниження температур активації твердотільних реакцій в плівкових матеріалах. Зокрема, встановлено, що на початкових стадіях термічної обробки для всіх тонкоплівкових зразків є характерною аморфізація структури, в той час як подальше підвищення температури характеризується формуванням нових інтерметалідних фаз. Однак збільшення кількості внутрішніх границь розділу спричинює зменшення температури початку аморфізації приблизно на 100 ^оС. Досліджено також вплив середовища термічної обробки на закономірності дифузійно-індукованих процесів зміни структури, фазового та хімічного складу. Проведено також експеримент з метою аналізу термічно-індукованих змін хімічного складу поверхні тонкоплівкових зразків із різною кількістю шарів із використанням методу рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (XPS) на бімлайні BL17SU, RIKEN SPring-8 Center. Досліджено температурну залежність зміни морфології поверхні тонкоплівкових композицій із різною кількістю шарів Ni(30 нм)/Ti(30 нм), [Ni(15 нм)/Ti(15 нм)]_2x, [Ni(10 нм)/Ti(10 нм)]_3x після відпалів у вакуумі в температурному інтервалі 300–500 ^оС впродовж 30 хвилин. Показано, що зміна кількості внутрішніх меж розділу при збереженні загальної товщини плівкової системи має вирішальний вплив на значення середньої шорсткості поверхні за умов відпалу у вакуумі за високих температур (> 400 ^оС). З використанням методу мас-спектрометрії вторинних йонів досліджено вплив параметрів термічної обробки та кількості внутрішніх границь розділу на зміну розподілу пошарового хімічного складу основних компонентів (нікелю, титану, кремнію) та домішок (вуглецю, кисню).

За звітний період проведено 1 наукове відрядження до японського синхротронного центру RIKEN SPring-8 Center з метою проведення комплексних досліджень тонкоплівкових матеріалів системи Ni/Ti з використанням синхротронного випромінювання та методів GIWAXS, XPS та XRR. За результатами виконання наукової роботи за звітний період: опубліковано 3 англомовні статті в наукових виданнях, що індексуються б/д Scopus, та підготовлено до публікації ще 2 статті; отримано 3 охоронні документи; доповіді на 3 міжнародних наукових конференціях; підготовка до захисту 2 магістерських дипломних робіт; підготовка до захисту 1 дисертації доктора філософії PhD.

Проведено 1 наукове відрядження до японського синхротронного центру RIKEN SPring-8 Center з метою проведення комплексних досліджень тонкоплівкових матеріалів системи Ni/Ti з використанням синхротронного випромінювання та методів GIWAXS, XPS та XRR. За результатами виконання наукової роботи за звітний період: опубліковано 3 англомовні статті в наукових виданнях, що індексуються б/д Scopus, та підготовлено до публікації ще 2 статті; отримано 3 охоронні документи; доповіді на 3 міжнародних наукових конференціях; підготовка до захисту 2 магістерських дипломних робіт; підготовка до захисту 1 дисертації доктора філософії PhD.

---

Науково-дослідні роботи – 2021 рік

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

Встановлено вплив початкових механічних напружень у шарах FePt та FePd при термообробці у різних атмосферах (водень, азот, вакуум) на фазовий перехід А1→L1_о в нанорозмірних плівках на основі FePt, FePd з додатковими шарами Au, Ag, Cu.

Визначено умови формування зерен фази L1_о з текстурою (001) і розташуванням вісі с легкого намагнічування перпендикулярно або паралельно площині плівки.

Створені наукові засади прискореного  формування нанорозмірних, термічно стабільних плівок на основі FePd, FePt з магнітно-твердою фазою L1_о для застосування в якості середовища магнітного запису підвищеної щільності. Оцінено і враховано вплив хімічного і  механічного факторів водневого впливу  на фазовий склад і структуру, а також  фізичного  фактору на електронну структуру нанорозмірних плівок на основі FePt і FePd, легованих Au, Ag, Cu, та на їх магнітні властивості. Це дало можливість запропонувати новий науковий підхід щодо застосування водневої термообробки в нанорозмірних плівках на основі FePt(Pd) для обмеження  небажаного впливу нанорозмірного фактору, що уповільнює упорядкування зі зменшенням товщини. Відпал у водні прискорює процеси дифузійного формування термостабільних, нанорозмірних, магнітно-твердих плівок FePt та FePd.

Опубліковано 2 статті у закордонних журналах, що індексуються наукометричними базами даних Scopus Web of Science, опубліковано 2 тез доповідей, отримано 1 патенту на корисну модель, захищено 1 бакалаврську роботу.

2405ф «Структурно-фазові механізми керування комплексом поверхневих властивостей конструкційних і функціональних сплавів комбінованими тепловими, йонними та деформаційними впливами» (Інститут матеріалознавства та зварювання імені Є.О. Патона, керівник С.М. Волошко).

Відпрацьовано нові методики комбінованої обробки, з використанням теплових та деформаційних високоенергетичних впливів – ультразвукової ударної обробки УЗУО, електроіскрового легування, лазерного опромінення, термічної обробки. Визначено оптимальні режими УЗУО для цілого ряду конструкційних сплавів з метою формування зносо- та корозійно стійких покриттів за умов квазігідростатичного стиснення, здійснено контроль механічних властивостей поверхні. З використанням факторного планування експериментів досліджено вплив основних параметрів УЗУО, а саме: амплітуди коливань концентратора та тривалості обробки, на розмір зерен у поверхневому шарі, макротвердість, залишкові макронапруження, шорсткість та хвилястість поверхні інструментальної сталі 9Г2Ф. Показано, що оптимізовані параметри УЗУО обумовлюють збільшення твердості поверхні на ~50 % і зниження шорсткості поверхні на ~50 %, забезпечуючи нову специфічну текстуру/рельєф поверхні та залишкові напруження стискання у поверхневому шарі. УЗУО поверхні сталі 40Х13 проводилась у стані поставки, після закалки за температури 950 °С з охолодженням у маслі та воді, а також після закалки та відпуску за температури 250 °С упродовж години. УЗУО поверхні сплаву Д16 з використанням дрібнодисперсних евтектичних порошків Al-33 ваг% Cu з 5 ваг.% графіту, в результаті якої утворюються метастабільна Al₄Cu₉ та стабільна Al₂Cu інтерметалідні фази, дозволила досягти ефекту зміцнення ~ 3,5 разів. Композитні покриття товщиною близько ~50 мкм синтезовані УЗУО поверхневих шарів двофазної латуні ЛС59-1 із додаванням армуючих частинок SiC різних фракцій (3 – 5 мкм, 14 – 20 мкм, 40 – 50 мкм, 80 – 100 мкм, 160 – 200 мкм). Максимальний ефект зміцнення внаслідок максимального подрібнення кристалітів фазових складових латуні досягнутий за умов армування поверхні порошком SiC з розміром частинок 160 – 200 мкм. Поверхневі шари алюмінієвого сплаву АМг6 модифіковані УЗУО та комбінованим обробленням, що поєднувало електроіскрове легування (ЕІЛ) титаном і УЗУО. Комбіноване оброблення (ЕІЛ+УЗУО) веде до подвійного зростання мікротвердості в порівнянні з УЗУО за рахунок формування твердого розчину TiAl та інтерметалідних фаз Ti_xAl_y, а також незначної кількості оксидів, які підсилюють дислокаційне та зернограничне зміцнення. ЕІЛ+УЗУО забезпечує найвищу корозійну стійкість сплаву АМг6 у водному розчині 3,5% NaCl, що проявляється у підвищенні значень потенціалу корозії на 40 – 70 мВ порівняно із зразком після УЗУО, що обумовлено наноструктурним станом модифікованої поверхні. Поєднання лазерного ударного зміцнення з УЗУО використане як для покращення шорсткості поверхні, так і для подрібнення зерна та формування залишкових напружень стиску в приповерхневому шарі аустенітної нержавіючої сталі. Нанорозмірні зерна, утворені на поверхнях під час комбінованих обробок були меншими, ніж для зразків, оброблених УЗУО. У порівнянні з необробленими зразками, твердість поверхні вдалося збільшити приблизно на 30 %, 73 % і 78 % після лазерного ударного оброблення, ультразвукового ударного оброблення та комбінованого лазерно-ультразвукового оброблення. Для підвищення зносостійкості сплаву Ti–6Al–4V на його поверхні сформоване захисне композитне покриття, зміцнене оксидом алюмінію, для чого застосовано двоетапну модифікацію поверхні, а саме: ультразвукове ударне оброблення з одночасним додаванням порошку оксиду алюмінію в зону інтенсивної пластичної деформації, що формує механічно змішаний поверхневий шар композиту, а також окиснення на повітрі для консолідації захисного покриття. Для дослідження тертя/зношування сформованого покриття проводилися два типи випробовувань зворотно-поступального ковзання в сухих умовах і за суттєво різних величин контактного тиску. Встановлено, що багатошарова структура захисної покриття, що складається з щільної плівки Al₂O₃/TiO₂ на зовнішній поверхні та приповерхневий шар композиту, армований частинками Al₂O₃, забезпечує подвійне підвищення зносостійкості та низький коефіцієнт тертя в умовах незначного максимального напруження зсуву (0,5 ГПа), але руйнується в умовах максимального контактного напруження зсуву (~3,2 ГПа). Показано, що у порівнянні зі сплавом підкладки Ti₆Al₄V, виготовлений захисний шар має втричі більшу твердість (~13 ГПа), на ~50 % вищий модуль пружності (170 ГПа), на ~70 % кращу термостійкість при 650 °C і в 6,5 разів кращі антикорозійні властивості в сольовому розчині (в 4 рази вища захисна ефективність, ніж у окисненої поверхні сплаву Ti₆Al₄V). Одержані результати переконливо доводять доцільність застосування УЗУО в комбінації з іншими методами високоенергетичної обробки.

Опубліковано монографію у закордонних виданнях на 7 мовах, отримано 2 авторських свідоцтва, подано заявку на винахід, видано 2 навчальних посібники, опубліковано 7 статей у журналах, що входять до наукометричної бази даних Scopus, та 4 прийнято до друку, захищена дипломна робота. Б.М. Мордюк і С.М. Волошко – співавтори роботи «Фізичні основи та інноваційні технології ультразвукового оброблення матеріалів», рекомендованої для преміювання Комітетом з Державних премій України з науки і техніки у 2021 р. (Національна премія імені Бориса Патона). До виконання залучалось з оплатою: 2 студенти, 1 аспірант, 1  молодий учений.

2401п «Низькотемпературне формування нанорозмірних плівкових матеріалів з ефектом пам’яті форми для сучасних мікроелектромеханічних систем» (Інститут матеріалознавства та зварювання ім. Є.О. Патона, керівник А.К. Орлов).

Проведено аналіз літератури за тематикою. Підготовлено технічне завдання. Відпрацьовано методику електронно-променевого осадження тонкоплівкових зразків. Отримано три серії зразків із варіюванням товщини та послідовності вакуумно конденсованих шарів – Ni(30 нм)/Ti(30 нм)/Si, Ni(400 нм)/Ti(100 нм)/Si, Ti(400 нм)/Ni(100 нм)/Si. Визначено оптимальні технологічні параметри вакуумного осадження тонкоплівкових композицій. Відпрацьовано режими термічної обробки тонкоплівкових композицій Ni/Ti та Ti/Ni у вакуумі. Проведено відпал серії тонкоплівкових зразків в вакуумі 10^-4 Па в інтервалі температур (20 – 600) ℃ з часом витримки від 1 до 5 годин. Встановлені температурні інтервали структурно-фазових перетворень в системах Ni/Ti/Si(001) та Ti/Ni/Si(001). Досліджено особливості зміни мікроструктури тонкоплівкових зразків при відпалі в вакуумі 10^-3 Па в інтервалі температур (20 – 600) ℃. Досліджено особливості масопереносу компонентів в системах Ni/Ti/підкладинка та Ti/Ni/підкладинка після відпалу в вакуумі 10^-4 Па в інтервалі температур (20 – 600)℃ з варіюванням часу витримки. Встановлено особливості формування твердих розчинів заміщення, закономірності дифузійного масопереносу компонентів та зміни морфології поверхні тонкоплівкових структур після термічного відпалу в інтервалі температур (300 – 500) °С у вакуумі 10^-3 Па та атмосфері Ar (200 Па). Відпрацьовано методики: рентгеноструктурного фазового аналізу Rigaku Ultima IV; електронної мікроскопії ПЕМ-125К; високоенергетичної електронної дифракції ЕМР-100; вимірювання залишкових напружень за допомогою рентгенівського випромінювання методом sin²psi; пошарового хімічного аналізу методом вторинної йонної мас-спектрометрії МС-7201.

Проведено роботу щодо організації, створення та укомплектування нової лабораторії тонкоплівкового матеріалознавства на кафедрі фізичного матеріалознавства та термічної обробки (506 кімната 9 корпусу) ІМЗ ім. Є.О. Патона КПІ ім. Ігоря Сікорського на базі вакуумного обладнання, безкоштовно переданого науковими колегами з синхротронного центру RIKEN SPring-8, Японія. Проведено модернізацію вакуумної системи електронографу ЕМР-100, системи контролю температури та системи напуску захисної атмосфери вакуумної установки для термічної обробки; здійснено монтаж та налагодження двох високовакуумних камер для термічної та йонної обробок. Виконано проектно-конструкторську роботу щодо розробки 4-х зондової вакуумної приставки для дослідження температурної залежності питомого електроопору тонкоплівкових зразків.

За звітний період підготовлено до публікації 3 статті у фахових та іноземних рецензованих виданнях, що індексуються наукометричною базою даних Scopus (2 у фахових та 1 в іноземному виданнях). Підготовлено 4 доповіді на міжнародних конференціях. Опубліковано 1 методичний посібник, ще 1 посібник підготовлено до друку. Підготовлено до захисту 1 дисертаційну роботу. Результати виконання НДР покладено в основу 1 магістерської дисертації.

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).          

Теоретичний аналіз перебігу самодифузії у впорядкованих інтерметалідних фазах методом молекулярної динаміки дозволив визначити кількісні параметри цього процесу. Зокрема, розраховано параметри самодифузії компонентів у впорядкованій фазі L1₀-FePt за вакансійним механізмом у кінетичному режимі типу А (0,7 – 0,85 Т_пл); визначено температурну залежність енергії формування вакансій із врахуванням їхнього нерівномірного розподілу за підгратками впорядкованого інтерметаліду, температурну залежність рівноважної концентрації вакансій та кінетичні закономірності середньоквадратичного атомного зміщення. Доведено коректність застосування методу молекулярної динаміки для визначення температурних залежностей коефіцієнтів самодифузії атомів Fe і Pt у фазі L1₀-FePt – отримані значення добре узгоджуються із законом Арреніуса, але абсолютні величини цих коефіцієнтів є меншими за експериментальні значення, що зумовлено прийнятими наближеннями (нехтування шляхами прискореної дифузії, зокрема границями зерен; невідповідністю розрахованого значення температури плавлення фази FePt тому значенню, яке передбачене діаграмою стану фазової рівноваги системи Fe-Pt; неврахуванням ентропії утворення вакансій під час розрахунку їхньої рівноважної концентрації). Підтверджено анізотропний характер процесу самодифузії у фазі L1₀-FePt: як атоми Fe, так і атоми Pt мігрують в ~5 разів швидше в напрямку, перпендикулярному до вісі тетрагонального спотворення гратки, порівняно з дифузією вздовж цього напрямку. Виявлено, що особливістю кінетики середньоквадратичного зміщення атомів Fe і Pt у впорядкованому інтерметаліді L1₀-FePt в температурному інтервалі (0,7 – 0,85) Т_пл є наявність трьох етапів: на початковому релаксаційному етапі після досягнення заданої температури атоми займають положення, що відповідають мінімальній енергії системи; надалі збільшення середньоквадратичного зміщення атомів з часом обумовлюється рухом атомів і вакансій до положень, що відповідають досягненню дальнього порядку у кристалічній гратці; і нарешті етап, для якого характерне лінійне зростання величини середньоквадратичного зміщення атомів внаслідок безпосереднього процесу самодифузії, є придатним для коректного розрахунку кількісних дифузійних параметрів методом молекулярної динаміки.

Встановлено закономірності розвитку термічно-індукованих дифузійних процесів, структурно-фазових перетворень і їхній вплив на магнітні властивості нанорозмірних гетерогенних систем Pt/Co.

Запропоновано модельні уявлення щодо розвитку дифузійних процесів у гетерогенних плівкових системах із різною конфігурацією магнітних і немагнітних наношарів за механізмами дифузійно-індукованої міграції границь зерен та реакційної дифузії, індукованої рухом границь зерен. Отримані в роботі результати є науковою основою створення новітніх феромагнітних впорядкованих за типом L1₀ наноматеріалів з унікальним комплексом магнітних і експлуатаційних властивостей (коерцитивна сила, намагніченість насичення, температура Кюрі, корозійна стійкість), використання яких в якості робочих плівкових елементів приладів наноелектроніки і спінтроніки дозволить досягти суттєвого підвищення функціональних характеристик даних приладів (ємність зберігання інформації, щільність інтеграції функціональних елементів тощо) та зменшити енерговитрати.

Опубліковано 1 статтю у закордонному журналі, що індексуються наукометричними базами даних Scopus і Web of Science, 2 статті в українських журналах, що індексуються наукометричними базами даних Scopus і Web of Science, захищено 1 патент на корисну модель, захищена 1 магістерська дисертація та підготовлені до захисту 2 магістерські дисертації (грудень 2021 р.), підготовлено до захисту докторську дисертацію.

---

Науково-дослідні роботи – 2020 рік

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.