Структурная стабильность многослойных Zr/Nb систем при облучении ионами Не+ в широком диапазоне доз

В работе исследована структурная стабильность многослойных покрытий Zr/Nb с различной толщиной индивидуального слоя при облучении ионами He?. Многослойные Zr/Nb покрытия с толщиной индивидуального слоя 10 – 100 нм были подвергнуты облучению ионами гелия с флюенсом 1•10?? – 1•10?? ион/см? с энергией 25 кэВ. По результатам проведенного рентгеноструктурного анализа и измерения электрического сопротивления было выявлено, что при больших дозах облучения покрытия испытывают реориентацию с изменением микро- и макронапряжений. В работе была была определена оптимальная толщина индивидуального слоя, обеспечивающая высокую структурную стабильность системы в целом, которая составила 25 нм.

Введение ………………………………………………………………………………………………….. 15

ГЛАВА 1. Основные сведения о радиационной повреждаемости металлов и
многослойных металлических систем ………………………………………………………. 19

1.1 Первичные процессы. Точечные дефекты и их комплексы …………….. 19

1.2 Радиационно-стимулированные явления в металлах ……………………… 23

1.2.1 Явление радиационного распухания и порообразования ………….. 23

1.2.2 Блистеринг и флекинг ……………………………………………………………… 26

1.2.3 Явление радиационного охрупчивания и упрочнения ………………. 27

1.3 Многослойные металлические наноразмерные системы ………………… 30

1.3.1 Характеристики многослойных систем образованные различными
металлами ………………………………………………………………………………………….. 35

1.3.2 Влияние толщины индивидуального слоя на радиационную
стойкость многослойных систем …………………………………………………………. 40

1.4 Влияние ионного облучения на Zr/Nb системы …………………………… 48

ГЛАВА 2. Структурная стабильность многослойных Zr/Nb систем при
облучении ионами Не+ в широком диапазоне доз ……………………………………… 53

2.1 Материалы и методы ……………………………………………………………………….. 53

2.2 Результаты и их обсуждение…………………………………………………………….. 59

ГЛАВА 3. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность
и ресурсосбережение ……………………………………………………………………………….. 73

Введение……………………………………………………………………………………………….. 73

3.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения .. 74

3.1.1 Анализ конкурентных технических решений ……………………………… 74

3.1.2 SWOT-анализ …………………………………………………………………………….. 76
3.2 Планирование научно-исследовательских работ …………………………….. 78

3.2.1 Структура работ в рамках научного исследования ……………………… 78

3.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ и разработка графика
проведения …………………………………………………………………………………………. 79

3.3 Бюджет научно-технического исследования …………………………………….. 82

3.3.1 Расчет материальных затрат научно-технического исследования .. 83

3.3.2 Расчет амортизации специального оборудования ………………………… 83

3.3.3 Основная заработная плата исполнителей темы ………………………….. 85

3.3.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) ……. 86

3.3.5 Накладные расходы ……………………………………………………………………. 87

3.3.6 Бюджетная стоимость…………………………………………………………………. 88

3.4 Определение ресурсной эффективности исследования ……………………… 88

Выводы по разделу ……………………………………………………………………………….. 90

ГЛАВА 4. Социальная ответственность ……………………………………………………. 91

4.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности … 91

4.2 Производственная безопасность ……………………………………………………… 92

4.3 Анализ опасных и вредных производственных факторов ………………….. 93

4.3.1 Производственный шум ……………………………………………………………… 93

4.3.2 Микроклимат ……………………………………………………………………………… 94

4.3.3 Освещенность …………………………………………………………………………….. 96

4.3.4 Ионизирующее излучение ………………………………………………………….. 97

4.3.5. Электробезопасность ……………………………………………………………….. 100

4.4 Чрезвычайные ситуации …………………………………………………………………. 101

4.4.1 Пожарная безопасность …………………………………………………………….. 103

4.5 Расчет первичных средств пожаротушения …………………………………….. 104
4.6 Охрана окружающей среды ……………………………………………………………. 107

Выводы по разделу ……………………………………………………………………………… 108

Заключение ……………………………………………………………………………………………. 110

Список литературы ………………………………………………………………………………… 112

Приложение I …………………………………………………………………………………………. 118

В работе исследована структурная стабильность многослойных покрытий
Zr/Nb с различной толщиной индивидуального слоя при облучении ионами
He+. Были получены образцы покрытия с толщинами индивидуальных слоев
равными 10, 25, 50 и 100 нм. Облучение образцов проводилось ионами He+ с
энергией 25 кэВ и флюенсом 1∙1016 – 1∙1018 ион/см2. По данным моделирования
SRIM в зависимости от флюенса количество смещений на атом составило 0,2
– 20,1 сна при концентрации имплантированного гелия 0,018 – 1,744 ат%. По
данным проведенного рентгеноструктурного анализа и измерение
электрического сопротивления можно сделать следующие выводы:
– исходные покрытия имеют преимущественную ориентацию,
соответствующую плотноупакованным плоскостям Zr(002) и Nb(110), однако
у покрытий с толщиной индивидуального слоя 10 нм отмечаются присутствие
сателлитных рефлексов, вызванными градиентом механического напряжения;
– при больших дозах облучения ввиду перераспределения напряжений в слоях
Zr отмечены изменения формы сателлитных рефлексов у покрытий с
толщиной индивидуального слоя 10 нм;
– для покрытий с толщиной индивидуального слоя 50 и 100 нм происходит
реориентация кристаллитов в слоях Zr при облучении с высокими дозами
(3∙1017 и 1∙1018 ион/см2);
– для всех покрытий характерно нарастание макронапряжений при увеличении
дозы, причем данные напряжения противоположны по знаку в слоях Zr и Nb;
– изменение удельного электрического сопротивления носят стохастический
характер, так для покрытий с толщиной слоя 50 и 100 нм зафиксировано как
уменьшение, так и увеличение электрического сопротивления при изменении
дозы. Для покрытий с толщинами слоев 10 нм отмечено увеличение (около
3%) сопротивления для всех доз облучения, для покрытий с толщиной слоя 25
нм электрическое сопротивление изменяется незначительно.
Наибольшую стабильность при воздействии ионного пучка He+
демонстрируют покрытия Zr/Nb с толщиной индивидуального слоя 25 нм, что
связано с особенностями повреждаемости индивидуальных слоев Zr и Nb. При
данной толщине покрытий в выбранных режимах облучения достигается
оптимальное состояние системы, при котором дефектная структура
изменяется незначительно.

1. Ullmaier H., Schilling W. Radiation damage in metallic reactor materials
//Physics of modern materials. Characterization of materials, defects and
mechanical properties. – 1980.
2. Zinkle S. J., Was G. S. Materials challenges in nuclear energy //Acta
Materialia. – 2013. – Т. 61. – №. 3. – С. 735-758.
3. Zhang X. et al. Interface-enabled defect reduction in He ion irradiated
metallic multilayers //Jom. – 2010. – Т. 62. – №. 12. – С. 75-78.
4. Beyerlein I. J. et al. Radiation damage tolerant nanomaterials //Materials
today. – 2013. – Т. 16. – №. 11. – С. 443-449.
5. Gao Y. et al. Radiation tolerance of Cu/W multilayered nanocomposites
//Journal of Nuclear Materials. – 2011. – Т. 413. – №. 1. – С. 11-15.
6. Callisti M., Karlik M., Polcar T. Bubbles formation in helium ion irradiated
Cu/W multilayer nanocomposites: Effects on structure and mechanical
properties //Journal of Nuclear Materials. – 2016. – Т. 473. – С. 18-27.
7. Li N. et al. The influence of interfaces on the formation of bubbles in He-
ion-irradiated Cu/Mo nanolayers //Philosophical Magazine Letters. – 2011. –
Т. 91. – №. 1. – С. 18-28.
8. Zhang J. Y. et al. Size-dependent plastic deformation characteristics in He-
irradiated nanostructured Cu/Mo multilayers: Competition between
dislocation-boundary and dislocation-bubble interactions //Materials Science
and Engineering: A. – 2016. – Т. 673. – С. 530-540.
9. Höchbauer T. et al. Influence of interfaces on the storage of ion-implanted
He in multilayered metallic composites //Journal of applied physics. – 2005.
– Т. 98. – №. 12. – С. 123516.
10.Zhernenkov M. et al. Design of radiation resistant metallic multilayers for
advanced nuclear systems //Applied Physics Letters. – 2014. – Т. 104. – №.
24. – С. 241906.
11.Yu K. Y. et al. Comparisons of radiation damage in He ion and proton
irradiated immiscible Ag/Ni nanolayers //Journal of Nuclear Materials. –
2013. – Т. 440. – №. 1-3. – С. 310-318.
12.Wei Q. M. et al. Suppression of irradiation hardening in nanoscale V/Ag
multilayers //Acta Materialia. – 2011. – Т. 59. – №. 16. – С. 6331-6340.
13.Chen F. et al. Investigation of structural stability and magnetic properties of
Fe/Ni multilayers irradiated by 300 keV Fe10+ //Journal of Nuclear
Materials. – 2014. – Т. 452. – №. 1-3. – С. 31-36.
14.Mao S. et al. Quantitative comparison of sink efficiency of Cu–Nb, Cu–V
and Cu–Ni interfaces for point defects //Acta Materialia. – 2015. – Т. 82. –
С. 328-335.
15.Li N. et al. He ion irradiation damage in Al∕ Nb multilayers //Journal of
Applied Physics. – 2009. – Т. 105. – №. 12. – С. 123522.
16.Kondo R. et al. Microstructure and mechanical properties of as-cast Zr–Nb
alloys //Acta biomaterialia. – 2011. – Т. 7. – №. 12. – С. 4278-4284.
17.Debski A., Debski R., Gasior W. New Features of Entall Database:
Comparison of Experimental and Model Formation Enthalpies/Nowe
Funkcje Bazy Danych Entall: Porównanie Doświadczalnych I Modelowych
Entalpii Tworzenia //Archives of Metallurgy and Materials. – 2014. – Т. 59.
– №. 4. – С. 1337-1343.
18.Callisti M., Lozano-Perez S., Polcar T. Structural and mechanical properties
of γ-irradiated Zr/Nb multilayer nanocomposites //Materials Letters. – 2016.
– Т. 163. – С. 138-141.
19.Callisti M., Karlik M., Polcar T. Competing mechanisms on the strength of
ion-irradiated Zr/Nb nanoscale multilayers: Interface strength versus
radiation hardening //Scripta Materialia. – 2018. – Т. 152. – С. 31-35.
20.Liang X. Q. et al. Size-dependent microstructure evolution and hardness of
He irradiated Nb/Zr multilayers under different ion doses //Materials
Science and Engineering: A. – 2019. – Т. 764. – С. 138259.
21.Углов В. В. Радиационные эффекты в твердых телах: пособие для
студентов физ., хим., фак. и ак. радиофизики и компьют. технологий,
обучающихся по спец. 1-31 04 01″ Физика (по направлениям)” и 1-31 04
02″ Радиофизика”. – 2011.
22.Кирсанов, В. В. Радиационные дефекты и связанные с ними эффекты/ В.
В. Кирсанов // Соросовский образовательный журнал. Сер. физика. 2001.
Т. 7, № 10. С. 88-94.
23.Буренков А. Ф. Пространственные распределения энергии, вьщеленной
в каскаде атомных столкновений в твердых телах/ А. Ф. Буренков [и др.].
М., 1985. 248 с.
24.Зеленский В. Ф. Радиационные дефекты и распухание металлов / В. Ф.
Зеленский, И. М. Неклюдов, Т. П. Черняева. Киев, 1988. 296 с.
25.Сокурский Ю.Н. Электронная микроскопия радиационных дефектов и
структурных превращений в металлах и сплавах // Там же. – С. 142-157
26.Ибрагимов Ш. Ш. Радиационные повреждения металлов и сплавов / Ш.
Ш. Ибрагимов, В. В. Кирсанов, Ю. С. Пятилетов. М., 1985. 240 с.
27.Was G. S. Fundamentals of radiation materials science: metals and alloys. –
Springer, 2016. – C. 415
28.Гусева М. И. Радиационный блистеринг / М. И. Гусева, Ю. В.
Мартыненко //Успехи физических наук. 1981. Т. 135, вып. 4. С. 671-691.
29.Бондаренко Г. Г. Радиационный блистеринг материалов / Г. Г.
Бондаренко. М., 1986. 52 с.
30.Домкус, А. П. Механические напряжения в имплантированных твердых
телах / А. П. Домкус, Л. Пранявичус. Вильнюс, 1990. 158 с.
31.Y. Liu, D. Bufford, H. Wang, C. Sun, X. Zhang, Mechanical properties of
highly textured Cu/Ni multilayers, Acta Materialia, 59 (2011) 1924-1933.
32.Zbib H. M. et al. Analysis of plastic deformation in nanoscale metallic
multilayers with coherent and incoherent interfaces //International Journal of
Plasticity. – 2011. – Т. 27. – №. 10. – С. 1618-1639.
33.M. Demkowicz, R. Hoagland, B. Uberuaga, A. Misra, Influence of interface
sink strength on the reduction of radiation-induced defect concentrations and
fluxes in materials with large interface area per unit volume, Physical Review
B, 84 (2011) 104102.
34.A.P. Sutton, R.W. Balluffi, H. Lüth, J.M. Gibson, Interfaces in Crystalline
Materials and Surfaces and Interfaces of Solid Materials, Physics Today, 49
(1996) 88.
35.B.P. Uberuaga, L.J. Vernon, E. Martinez, A.F. Voter, The relationship
between grain boundary structure, defect mobility, and grain boundary sink
efficiency, Scientific Reports,5 (2015) 9095.
36.K. Yu, C. Sun, Y. Chen, Y. Liu, H. Wang, M. Kirk, M. Li, X. Zhang, Superior
tolerance of Ag/Ni multilayers against Kr ion irradiation: an in situ study,
Philosophical Magazine, 93 (2013) 3547-3562.
37.Foiles S. M., Baskes M. I., Daw M. S. Embedded-atom-method functions for
the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys //Physical review B. –
1986. – Т. 33. – №. 12. – С. 7983.
38.Johnson R. A., Oh D. J. Analytic embedded atom method model for bcc
metals //Journal of Materials Research. – 1989. – Т. 4. – №. 5. – С. 1195-
1201.
39.Misra A. et al. The radiation damage tolerance of ultra-high strength
nanolayered composites //JOM Journal of the Minerals, Metals and Materials
Society. – 2007. – Т. 59. – №. 9. – С. 62-65.
40.Chen Y. et al. In situ study of heavy ion irradiation response of immiscible
Cu/Fe multilayers //Journal of nuclear materials. – 2016. – Т. 475. – С. 274-
279.
41.Wolfer W. G. Fundamental properties of defects in metals //Comprehensive
nuclear materials. – 2012. – Т. 1. – С. 1-45.
42.Hu W. et al. Analytic modified embedded atom potentials for HCP metals
//Journal of Physics: Condensed Matter. – 2001. – Т. 13. – №. 6. – С. 1193.
43.Барабаш О. М., Коваль Ю. Н. Структура и свойства металлов и сплавов
//Справочник. К: Наукова думка. – 1986. – C. 20
44.Cмирнов Е.А. Термодинамика фазовых превращений в металлах и
сплавах. Учебное пособие. М.: МИФИ, 1998. – С. 4-6
45.Mousavi M. S., Abbasi R., Kashani-Bozorg S. F. A thermodynamic approach
to predict formation enthalpies of ternary systems based on miedema’s model
//Metallurgical and Materials Transactions A. – 2016. – Т. 47. – №. 7. – С.
3761-3770.
46.Bagchi S. et al. Thickness dependent effect of swift heavy ion irradiation in
W/Ni superlattice multilayers //Journal of Physics D: Applied Physics. –
2009. – Т. 42. – №. 14. – С. 145414.
47. Li N. et al. He ion irradiation damage in Fe/W nanolayer films //Journal of
Nuclear Materials. – 2009. – Т. 389. – №. 2. – С. 233-238.
48.Trinkaus H., Singh B. N. Helium accumulation in metals during irradiation–
where do we stand? //Journal of Nuclear Materials. – 2003. – Т. 323. – №. 2-
3. – С. 229-242.
49.Anderson P. M., Hirth J. P., Lothe J. Theory of dislocations. – Cambridge
University Press, 2017.
50.Demkowicz M. J., Hoagland R. G. Structure of Kurdjumov–Sachs interfaces
in simulations of a copper–niobium bilayer //Journal of Nuclear Materials. –
2008. – Т. 372. – №. 1. – С. 45-52.
51.Bhattacharyya D. et al. A transmission electron microscopy study of the effect
of interfaces on bubble formation in he-implanted Cu-Nb multilayers
//Microscopy and Microanalysis. – 2012. – Т. 18. – №. 1. – С. 152-161.
52.Lach T. G. et al. Role of interfaces on the trapping of He in 2D and 3D Cu–
Nb nanocomposites //Journal of Nuclear Materials. – 2015. – Т. 466. – С. 36-
42.
53.Kong-Fang W. et al. Modification of Fe/Cu multilayers under 400 keV Xe20+
irradiation //Chinese Physics C (HEP & NP). – 2008. – Т. 32.
54.Wu S. H. et al. Effect of He-irradiation fluence on the size-dependent
hardeninganddeformationofnanostructuredMo/Zrmultilayers
//International Journal of Plasticity. – 2018. – Т. 111. – С. 36-52.
55.Jin O., Liu B. X. Non-equilibrium solid phases formed by ion mixing in the
Zr-Nb system with positive heat of formation //Journal of Physics:
Condensed Matter. – 1994. – Т. 6. – №. 6. – С. L39.
56.Thompson G. B. et al. Phase stability of bcc Zr in Nb/Zr thin film multilayers
//Acta materialia. – 2003. – Т. 51. – №. 18. – С. 5285-5294.
57.Ziegler J. F., Ziegler M. D., Biersack J. P. SRIM–The stopping and range of
ions in matter (2010) //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research
Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2010. – Т. 268. –
№. 11-12. – С. 1818-1823.
58.Konobeyev A. Y. et al. Evaluation of effective threshold displacement
energies and other data required for the calculation of advanced atomic
displacement cross-sections //Nuclear Energy and Technology. – 2017. – Т.
3. – №. 3. – С. 169-175.