Исследование структурно-фазовых преобразований поверхностного слоя SiC-керамики, подвергнутой электронно-ионно-плазменной обработке

В рамках данной работы проводилось облучение интенсивным импульсным низкоэнергетическим электронным пучком на установке “СОЛО” керамики из карбида кремния, полученной методом SPS и различных плотностях энергии пучка и системы “пленка (титан) / (SiC-керамика) подложка” при различном количестве импульсов. Выполнено исследование структуры методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, фазовый состав поверхностного слоя керамики исследовали методами рентгенофазового и рентгеноспектрального анализов, дефектная субструктура, физико-механические характеристики В результате исследования получены образцы с измененным фазовым и структурным составами поверхностного слоя и увеличенными прочностными характеристиками.

Введение 13
1. Обзор литературы 15
1.1 Классификация керамических материалов 15
1.2 Структура и свойства керамических материалов 16
1.2.1. Структура бескислородной керамики 16
1.2.2 Механические свойства 17
1.2.3 Термомеханические свойства 18
1.2.4 Химические и электрофизические свойства 19
1.2.5. Области применения 20
1.3. Получение бескислородных керамик 21
1.3.1. Методы формования бескислородных керамик 21
1.3.2. Методы спекания 23
1.3.2.1 Метод самораспространяющегося высокотемпературного
синтеза (СВС-метод) 23
1.3.2.2 Реакционное спекание 24
1.3.2.3 Спекание в разряде плазмы. Spark Plasma Sintering (SPS – 25
метод)
1.4 Модификация поверхности керамики концентрированными пото-
ками энергии 28
1.4.1. Электронно-пучковая обработка 28
1.4.2. Облучение мощными ионными пучками 31
1.4.3. Облучение лазером 32
1.4.4 Облучение керамики плазмой 33
1.4.5 Ионная имплантация 35
2. Объекты и методы исследования 37
3. Результаты исследования и их обсуждение 49
3.1 Анализ структуры и свойств поверхности SiC-керамики, подверг-
нутой модификации импульсным электронным пучком 49
3.2 Анализ структуры и свойств поверхности системы «пленка (титан)
/ (SiC-керамика) подложка», подвергнутой модификации интенсивным
импульсными электронным пучком 56
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 65
4.1Оценка коммерческого потенциала исследования 66
4.2Планирование работ по НИР 67
4.3 Составление сметы научного исследования 72
4.3.1 Амортизация 72
4.3.2 Электроэнергия 73
4.3.3 Полная заработная плата исполнителей 74
4.3.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 75
4.3.5 Накладные расходы 76
4.3.6 Формирование бюджета затрат научного исследования 76
4.4. Эффективность работы 77
4.4.1. Оценка научно-технического уровня НТИ 77
5 Социальная ответственность 81
Введение 84
5.1 Техногенная безопасность 85
5.2 Региональная безопасность 88
5.3 Организационные мероприятия обеспечения безопасности 89
5.4 Особенности законодательного регулирования проектных реше-
ний. 93
5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 94
Заключение 98
Список публикаций 100
Список использованных источников 101
Приложение А 107

В результате работы над магистерской диссертацией были решены сле-
дующие задачи:
1 Изготовлены методом SPS керамические образцы из порошка карбида
кремния;
2 Осуществлена шлифовка и полировка полученных образцов до зер-
кального состояния на шлифовально-полировальном станке «Полилаб»;
3 Принято участие в напылении титановой пленки толщиной 0,5 мкм на
подложку из карбидокремниевой керамики на установке «КВИНТА» ваку-
умно-дуговым методом при испарении катода из технически чистого тита-
на марки ВТ1-0;
4 Принято участие в облучении интенсивным импульсным низкоэнерге-
тическим электронным пучком на установке «СОЛО»:
а) керамики из карбида кремния, полученной методом SPS, при различных
плотностях энергии пучка: 10, 15, 20 Дж/см2, одинаковом количестве и
длительности импульсов – 3 имп., 200 мкс соответственно;
б) системы «пленка (титан) / (SiC-керамика) подложка» при различном ко-
личестве импульсов: 20 имп. и 30 имп., одинаковой плотности энергии
пучка электронов 15 Дж/см2 и длительности импульса 200 мкс;
5 Принято участие в исследование полученных образцов (структура, фа-
зовый состав поверхностного слоя керамики, морфология, дефектная суб-
структура,) методами сканирующей и просвечивающей электронной мик-
роскопии, рентгенофазового анализа;
6 Определены физико-механические характеристики SiC-керамики и си-
стемы «пленка (титан) / (SiC-керамика) подложка», облученной интенсив-
ным импульсным электронным пучком.
В результате выполненных исследований:
1. Установлено, что облучение SiC-керамики интенсивным импульсным
электронным пучком (18 кэВ, 200 мкс, 0,3 с-1, 3 имп., (10, 15, 20) Дж/см2) со-
провождается:
– закономерным изменением полиморфного состава (увеличение более
чем в два раза, по сравнению с исходным материалом, относительного содер-
жания политипа α-SiC-15R);
– фрагментацией и наноструктурированием поверхностного слоя;
– увеличением твердости и модуля Юнга.
Высказано предположение, что одной из причин зафиксированных пре-
образований материала при облучении керамики интенсивным импульсным
электронным пучком субмиллисекундной длительности воздействия являются
релаксационные процессы, вызванные термомеханическим напряжениями, воз-
никающих в поверхностном слое материала в результате высокоскоростных
нагрева и охлаждения, имеющих место при облучении.
2. Установлено, что облучение системы «пленка (Ti) / (SiC-керамика)
подложка» интенсивным импульсным электронным пучком (15 Дж/см2; 200
мкс; 0,3 с-1; 20 имп.) приводит:
– к формированию поверхностного слоя, имеющего многоэлементную
многофазную структуру субмикро- наноразмерного диапазона;
– к формированию поверхностного слоя, микротвердость которого изме-
няется в пределах от 33 ГПа до 96 ГПа.
Список публикаций
Леонов А. А., Кузичкин Е. Е., Иванов Ю.Ф. Эволюция структурно-
фазового состояния поверхностного слоя керамики из карбида кремния при
облучении интенсивным импульсным электронным пучком // Фундаментальное
материаловедение и материалы: сборник тезисов Международной научной
конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2018». – г.
Москва, 9-13 апреля 2018.
Леонов А. А., Кузичкин Е. Е., Иванов Ю.Ф. Всероссийская научно-
технической конференция с международным участием «Вакуумная техника и
технологии – 2018» (С-Петербург, 5-7 июня 2018 г.).
Леонов А. А., Кузичкин Е. Е., Иванов Ю.Ф. Структурно-фазовые преоб-
разования поверхностного слоя SiC-керамики при электронно-пучковой обра-
ботке // Материаловедение: 24 Всероссийская научная конференция студентов-
физиков и молодых ученых. – Томск, 31 марта – 7 апреля.