ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Отраслевое машиностроение

О.О. Бруяка, Филатова А.В.

Горловский автомобильно-дорожный институт Донецкого национального технического университета

Применение потоков ионов различных сортов, энергий и зарядности для получения наноструктур

Получение наноструктур в поверхностном слое связано с реализацией необходимых температур, давлений (действие температурных напряжений) в объеме и наличия атома катализатора вокруг которого будет формироваться наноструктура (нанокластер) – нанокристалл [1-9].

Для индивидуальных частиц (j£j’_кр) и потока как сплошной среды (j£j’’_кр) можно пользоваться результатами, приведенными в [1]. Исследование проведем в основном для случая взаимовлияния соседних частиц (j<j’<j’’_КР).

Рассмотрим действие электронов и ионов средних энергий в плазменном потоке при условии, что j£j’_кр. Если плотность тока лежит между первой и второй критической, т.е. когда наблюдается наложение температурных полей от действия соседних частиц, задача усложняется. Проанализируем действие только четырех тепловых источников, первые два из которых - это ионы с энергией É_i, а остальные - электроны с энергией É_е (рис. 1), причем в рассматриваемой области выделяется только четвертая часть энергии каждой из четырех частиц. Эта область ограничивается прямоугольным параллелепипедом со сторонами, равными расстоянию между частицами в потоке l_r, и высотой, равной максимальной глубине проникновения температурного поля. Тепловые источники - электроны - действуют в точках А(0, 0, 0) и С(0, l_r, l_r), в точках же В(0, l_r, 0) и Д(0, 0, l_r) действуют ионы (вдоль вертикалей, проходящих через эти точки).

В общем случае рассмотрение температурных полей в зоне действия плазменного потока проводилось при плотностях тока, равных первой критической и при промежуточных значениях. Такое рассмотрение позволяет выявить все экстремальные ситуации и оценить правомочность разделения теплофизических задач по плотностям тока (интенсивностям) в плазменном потоке.

Рисунок 1 - Схема расположения зон выделения энергии электронами А и С и ионами B и D в плазме потока.

При действии плазменного потока на алюминиевую деталь (É_i=800 эВ, É_е=38 эВ, ионы титана) характер распределения температур по глубине изменяется, наблюдается их различие. Так, при плотности тока, равной первой критической (j=j’_кр, рис. 2, а), просматривается существенная неоднородность температур по глубине мишени и в исследованных плоскостях. Характер распределения в зоне действия частиц такой же, как при действии ионов с энергией 800 эВ (максимальная температура 637 К наблюдается на глубинах х=0,6l_ср для ионов). Реализуются значительные градиенты температур. При увеличение плотности тока в пучке до 3×10⁷ А/м² (рис. 2, б) происходит некоторое их выравнивание в исследованных плоскостях, максимальная температура и немонотонность ее по глубине сохраняются, градиенты падают по сравнению с предыдущими случаями.

Дальнейшее увеличение плотности тока до второй критической (2,1×10⁸ Ам², рис. 2, в) приводит к выравниванию распределения температур в исследованных плоскостях и приближению их к максимальной в диагональной плоскости действия электронов. Таким образом, увеличение плотности тока приводит к выравниванию температурных полей. После завершения цикла облучения наблюдается выравнивание температурных полей по поверхностям и некоторый рост температуры в глубине, после чего она снижается.

Исследование полей температур показало наличие высоких по величине градиентов температур, что говорит о возможности реализации температурных напряжений значительных по величине.

Х = 0

Х = 0,6λ_ср

Х = λ_ср 1,2

а б в

Рис. 2 − Температурные поля на поверхностях Х=0, Х=0, 6λ_ср и Х=1,2 λ_ср в зоне действия плазменного потока Е_i = 800эВ - Ти, Е_е = 3,8эВ с плотностью токов: a - j = j^I_кр =2,7·10⁶ А/м²;б - j = 3·10⁷ А/м²; в – j = j^II_кр = 3,7 · 10⁷ А/м² на алюминиевую мишень.Т_max = 637 К

Показано, что достигаются требуемые температуры и скорости нарастания температур, величины температурных напряжений (давлений) достаточные для получения наноструктур в объеме детали, в то же время для повышения эффективности этого процесса можно подавать в плазменном потоке небольшую долю ионов катализатора.

Литература:

1. Костюк Г.И. Физические процессы плазменно-ионных, ионно-лучевых, плазменных, светолучевых и комбинированных технологий. Физико-технические основы нанесения покрытий, ионной имплантации и ионного легирования, лазерной обработки и упрочнения, комбинированных технологий: моногр. / Г.И. Костюк. − К.: Изд-во АИНУ, 2002. − Кн. 1. − 587 с.

2. Костюк Г.И. Физико-технические основы нанесения покрытий, ионной имплантации и ионного легирования, лазерной обработки и упрочнения, комбинированных технологий (Харьков, изд-во аину, 2002. - 1030 с) «Справочник для расчета основных физических и технологических параметров, оценки возможностей, выбора типа технологий и оборудования» . – 442 с. (язык русский)

3. Костюк Г.И. Эффективный режущий инструмент // Харьков, 2003, 412с.

4. Костюк Г.И. Наноструктуры на базе фуллеренов: Физика, свойства, применение // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов, сб. научн. трудов «ХАИ»,-, Х.: -2007, - Вып. 3(50), - с. 78–96.

5. Костюк Г.И. Об аномальновысокой микроствердости слоев из одно- и многокомпонентных покрытий из нитридов, карбидов и карбонитридов металлов // Вісті АІНУ. № 3(30). 2006. с. 222–231.

6. Аксенов И.И. Вакуумная дуга в эрозионных источниках плазмы / И.И. Аксенов. - Изд-во НИИ «ХФТИ», Харьков, 2005. - 211 с.

7. Костюк Г.И. Научные основы создания современных технологий// Харьков, 2008, 551 с.

8. Гречихин Л.И. Физика наночастиц и нанотехнологий. Минск, УП «Технопринт», 2004. 397 с.

9. Гусев А.И.Наноматериалы наноструктуры, нанотехнологии. М.: «Физматлит»2005, 416 с.