Методическое пособие 492

УДК 621.74

ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОСТАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА ОТЛИВОК

Л.С. Печенкина студент гр.ЛП-141 А.Д. Пронская

кафедра материаловедения и физики металлов ВГТУ

Специальные стали и сплавы содержат большое количество легирующих элементов, некоторые из которых в условиях вакуума имеют значительный угар. И даже при использовании вакуумного возврата необходимо восполнять потери дорогостоящих легирующих компонентов, что несет большие экономические потери [1]. Метод залечивания глубоко залегающих пустот и пор в слитках с помощью горячего изостатического прессования (ГИП) – это процесс уплотнения или соединения материалов при высоких температурах и высоких всесторонних давлениях. ГИП стали широко использовать как метод удаления внутренних дефектов в материалах, полученных традиционными способами, например, литьем по выплавляемым моделям (ЛВМ), и особенно для залечивания пор в отливках. Основные преимущества ГИП: снижение пористости в отливках и залечивание усадочных раковин; улучшение механических свойств материала; уменьшение разброса свойств материала из-за выравнивания плотности отливок [2].

На базе Комплекса металлургического производства КБХА проанализировано внедрение высокотемпературной газостатической обработки (ВГО) отливок из коррозионностойкой стали 08Х14Н7МЛ (ГОСТ 977 – 88), в основе которой лежат принципы процесса ГИП.

Были обобщены сравнительные результаты рентгеноконтроля до и после ВГО отливок корпусов подвода, которые показали, что вследствие ВГО по установленным режимам в отливках частично или полностью залечиваются дефекты, результаты химического анализа свидетельствуют о соответствии указанных материалов требованиям нормативно – технической документации, металлографических исследований показывающих плотную макроструктуру отливок до и после ВГО и испытаний механических свойств материалов показывающих, что ВГО отливок не изменяет их прочностных свойств, но улучшает пластические. Обнаруженные дефекты и результаты ВГО представлены на рисунке.

По результатам исследований можно подтвердить эффективность установленных технологических режимов ВГО отливок корпусов подвода. Применение ГИП повышает выход годного, устраняет пористости, ведущие к уменьшению опасности преждевременного разрушения; увеличивает механических свойства, позволяющие сократить периодичность контроля, брак и объем ремонтных работ, связанных с подповерхностными дефектами.

На основании вышеизложенного, можно рекомендовать внедрение ВГО либо в новые проектируемые, либо в действующие цеха ЛВМ из специальных сталей, совмещая литейное производство и участки ВГО.

Литература

1.Джеймс П.Дж. Процессы изостатического прессования / П.Дж. Джеймс. – М.: Металлургия, 1990. – 192 с.

2.Оспенникова О.Г. Исследование влияния газостатирования отливок из жаропрочных сплавов / О.Г. Оспенникова // Двигатель. – 2008. - № 1 (55) – С. 8 – 10.

9

УДК 537.323

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗАПОЛНЕННЫХ СКУТТЕРУДИТОВ

студент гр. ПФм-161 И.И. Попов, С.А. Гриднев

кафедра физики твердого тела ВГТУ

Эффективность термоэлектрических материалов определяется безразмерной термоэлектрической добротностью ZT = σα2T / k, где σ, α, T и k – это удельная электропроводность, коэффициент Зеебека, абсолютная температура и удельная теплопроводность, соответственно.

Была выдвинута идея о создании вещества, которое плохо проводит тепло и хорошо – электричество (концепция «фононное стекло – электронный кристалл»). Скуттерудиты были первыми объектами, исследованными в рамках этой концепции. Такие соединения описываются общей формулой МХ3, где М – атомы переходного металла 8 или 9-й группы, а Х – атомы пникогена (P, As или Sb). Элементарная кристаллическая ячейка скуттерудита состоит из 32 атомов, из них 8 атомов переходного металла образуют примитивную кубическую упаковку, а остальные 24 атома пникогена занимают позиции в шести из восьми октантов.

Сочетание большой подвижности носителей заряда и эффективной массы привели к исключительно высоким значениям фактора мощности α2σ более 3·10-3 Вт / м·K2 для образцов n- и p-типа. Однако и значение теплопроводности оказалось очень большим, что делает незаполненные скуттерудиты менее привлекательными для термоэлектричества.

Заполненные скуттерудиты отличаются от незаполненных тем, что в два вакантных октанта внедряются атомы других ме-

Видно, что для заполненного скуттерудита CeFe3CoSb12 при температуре 900 К термоэлектрическая добротность достигает значения ZT = 1,4, что делает его перспективным генераторным материалом.

Литература 1. Шевельков А.В. Химические аспекты создания термоэлектрических материалов / А.В.

Шевельков // Успехи химии. – 2008. – Т. 77. – №1. – С. 3-21.

10

УДК 538.9:621.382

ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОММУТАЦИОННЫХ СЛОЁВ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЕТВЯХ n-ТИПА

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРНЫХ БАТАРЕЙ

С.Б. Кущев,1 В.А. Дыбов,1 Д.В. Сериков,1 Е.Н. Федорова,2 студент ТФ-141 А.О. Росляков, студент ТФ-141 М.А. Погорелова

1кафедра физики твердого тела ВГТУ

2кафедра материаловедения и физики металлов ВГТУ

В работе представлены результаты исследования влияния способов подготовки поверхности на фазовый состав, структуру и механические свойства полупроводниковых ветвей n-типа на основе твердого раствора Bi2Te3-Bi2Se3.

Подготовку поверхности полупроводниковых ветвей производили следующими способами: механической полировкой; механической полировкой с последующей импульсной фотонной обработкой (ИФО) в атмосфере Ar (доза излучения 125 Дж/см2); механической полировкой с последующей электрохимической полировкой (ЭХП) в водном растворе

NaOH + H2C4H4O6 + C3H5(OH)3. Финишную очистку поверхности всех ветвей производили

путем ультразвукового диспергирования (УЗД). Барьерный (антидиффузионный) слой Mo, толщиной 0,3 мкм и коммутационный слой Ni, толщиной 0,3 мкм, наносили на поверхность ветвей в процессе магнетронного

распыления.

По результатам рентгеновской дифрактометрии (РД) и растровой электронной микроскопии (РЭМ) установлено, что в результате механической полировки, ИФО, ЭХП фазовый состав приповерхностного слоя термоэлектрических ветвей не изменился (рис.). Механическая полировка и ИФО приводили к рекристаллизации зерен в приповерхностном слое и образованию зерен с произвольной ориентацией.

По результатам исследования методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) установлено, что рельеф поверхности ветвей после механической полировки с последующими ЭХП и УЗД неоднородный, с преобладанием протяженных углублений над остальными дефектами поверхности, величина которых составила 90 нм. Барьер рельефа при использовании ЭХП свидетельствует о селективности травления поверхности ветвей.

По результатам измерительного наноиндентирования установлено, что механическая полировка с последующим УЗД и механическая полировка с последующими УЗД и ИФО приводят к образованию упрочненного приповерхностного слоя вет-

после проведения механической полировки с последующими УЗД и ИФО увеличилась по сравнению с образцами без обработки более чем в 4 раза.

12

УДК 538.935

ВЛИЯНИЕ ОТЖИГА НА ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

ВМНОГОСЛОЙНОЙ НАНОСТРУКТУРЕ Mg/NbO

студент гр. ПФм-161 А.Н. Смирнов, О.В. Стогней

кафедра физики твердого тела ВГТУ

Вработе изучено влияние термического отжига на фазовые превращения в многослойных наноструктурах Mg/NbO в зависимости от толщины слоёв магния. Многослойная структура (Mg/NbO)82 (индекс 82 означает количество бислоёв) была получена методом ион- но-лучевого распыления оксидной (NbO) и металлической (Mg) мишеней с последующим осаждением материала на подложки, вращающиеся вокруг мишеней. Магний напылялся на подложки через V-образный экран, в то время как оксид ниобия осаждался без использования экрана, поэтому полученные многослойные образцы отличались друг от друга толщиной сло-

ёв магния. Толщина слоев оксида ниобия во всех случаях составляла примерно 0,96 нм [1]. Установлено, что отжиг, проводимый при 450 оС, не приводит к разрушению много-

слойной структуры в исследованных образцах, однако, способствует фазовым превращениям

вслоях многослойных пленок. Исследованы температурные зависимости сопротивления образцов с разной толщиной слоя магния и установлено, что характер зависимости определяется

Литература

1. Стогней О.В., А.Н. Смирнов, А.В. Ситников Получение многослойных образцов Mg/NbO Вестник ВГТУ. - 2016. - Т. 12- № 6. - С. 18 – 23.

13

УДК 538.953

ОКСИДНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИКИ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ

А.Н. Смирнов, студент гр. ПФм-161, С.А. Гриднев

кафедра физики твердого тела ВГТУ

Технический прогресс невозможен без преодоления трудностей и вызовов, с которыми сталкивается человечество. Эффективное использование электрической энергии является актуальной проблемой на ближайшие десятилетия для многих стран. Повышение энергоэффективности возможно лишь при создании и использовании эффективных технологических решений. Задача прямого преобразования тепловой энергии в электрическую является очень актуальной в современных условиях истощения природных источников топлива. Одним из путей решения данной проблемы является создание термоэлектрических генераторов на основе слоистых кобальтитов.

Слоистые кобальтиты – семейство материалов, которые можно описать следующей

формулой [MmA2Om+2]q[CoO2] (M = Co, Bi, Pb, Tl; A = Ca, Sr, Ba; m = 0, 1, 2; q ≥ 0,5). Кри-

сталлическая структура этих слоистых оксидов описывается химической формулой ACoO2, где A = Na, Ca, La или комбинация двух и более элементов.

Наибольшее внимание из всех слоистых кобальтитов привлекает слоистый кобальтит кальция Ca3Co4O9, который является перспективным термоэлектрическим материалом р - типа. Он характеризуется высокими термоэлектрическими показателями, относительно низкой стоимостью и устойчивостью на воздухе при повышенных температурах. Кроме того, в составе Ca3Co4O9 нет токсичных элементов, причиняющих вред окружающей среде.

Вработе [1] были изучены твердые растворы Ca3-xBixCo4-yFeyO9 (x = 0, y = 0; x = 0,3, y

=0; x = 0,3, y = 0,1), где ионы Ca2+ и Co3+ были частично совместно замещены Bi и Fe с последующим искровым плазменным спеканием. Установлено, что замещение висмутом приводит к снижению теплопроводности до 40%. Кроме того, было установлено, что фактор мощности был увеличен на 33% путем совместного легирования Fe и Bi. В данном исследо-

вании показатель ZT достигал 0,4 при 973 К в образце Ca2.7Bi0.3Co3.9Fe0.1O9. Это означает, что совокупное воздействие при совместном легировании может эффективно улучшить

термоэлектрическую эффективность материалов на основе Ca3Co4O9.

В той же работе [1] рассмотрены термоэлектрические свойства соединения Ca3-xYxCo4- yFeyO9 (0 < x < 0.3, 0 < y < 0.1), совместно легированного ионами Y+3 и Fe3+ и полученного путем высокотемпературного синтеза с последующим искровым плазменным спеканием. Для систем, легированных железом (х = 0, y < 0,1), удельное электрическое сопротивление снизилось во всем измеренном диапазоне температур, в то время как коэффициент Зеебека остался почти таким же. Для совместно легированной системы, при различном содержании железа удельное электрическое сопротивление и коэффициент Зеебека повышаются с увеличением концентрации Y. Для всех совместно легированных (х = 0,1 и у = 0,03) образцов, обнаружено увеличение фактора мощности в измеренном диапазоне температур, а также улучшение ZT по сравнению с нелегированным Ca3Co4O9. Таким образом, слоистый кобальтит кальция Ca3Co4O9, легированный Bi, Fe и Y, является перспективным материалом, благодаря своим высоким термоэлектрическим свойствам, которыми он обладает при высоких температурах.

Литература

1. Ning Yu Wu, Ngo Van Nong, Nini Pryds, Soren Linderoth / Effects of Yttrium and Iron co - doping on the high temperature thermoelectric properties of Ca3Co4O9 // Journal of Alloys and Compounds, iss. (No 638). 2015. P. 127 – 132.

14

УДК 537.9

ТЕРМОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ОТКЛИК В ДВУХСЛОЙНЫХ СТРУКТУРАХ

ZnO/ZnхFe1-хO

студент гр. ПФм-171 И.С. Ильяшев, В.А. Макагонов, С.Ю. Панков

кафедра физики твердого тела ВГТУ

Термовольтаический эффект заключается в том, что в условиях отсутствия перепада температур, на противоположных гранях двухслойного, градиентным образом легированного полупроводникового образца возникает электрическое напряжение, величина которого может достигать десятков милливольт [1]. Термоэлектрический преобразователь на основе данного эффекта обладает рядом преимуществ перед устройствами, принцип работы которых основан на эффекте Зеебека: отсутствие необходимости создания градиента температуры, меньший вес и др.

Двухслойные тонкопленочные структуры ZnO/ZnхFe1-хO были получены методом ионно-лучевого распыления керамической мишени на подложку из ситалла в вакууме не хуже P = 10-2 Па. Керамическая мишень размером 280х80 мм2 представляла из себя пластины ZnO, закрепленные на медном водоохлаждаемом основании. Для получения слоев ZnхFe1-хO на поверхность мишени ZnO вдоль длины подложки неравномерным образом были установлены навески чистого Fe, что позволило в одном цикле напыления получить слои ZnхFe1-хO с различным содержанием железа. Формирование двухслойных структур ZnO/ZnхFe1-хO происходило в две стадии. Вначале было проведено напыление слоя чистого ZnO, затем, поверх него был нанесен слой ZnхFe1-хO. Время напыления ка-

ждого из слоев составляло 3 часа.

На рисунке представлены зависимости термовольтаического отклика для двухслойных структур ZnO/ZnхFe1-хO в исходном состоянии, измеренные в диапазоне температур 25 – 350 °С. Согласно полученным данным, для всех изученных образцов значения термовольтаического отклика монотонно увеличиваются с повышением температуры. Увеличение содержания Fe приводит к увеличению угла наклона графика зависимости термовольтаического отклика от температуры. Максимальное значение отклика составило около 1500 мкВ при 350 °С для образца

Zn0,79Fe0,21O.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 16-08-36411).

Литература

1. Механизм возникновения электродвижущей силы при нагревании кристаллов SmS / В.В. Каминский, Л.Н. Васильев, М.В. Романова, С.М. Соловьев // Физика твердого тела. – 2001. – Т.

43. – Вып. 6. – С. 997 – 999.

16

УДК 537.9

ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ОКСИДА ЦИНКА МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО РАСПЫЛЕНИЯ

студент гр. ТФ-161, В.В. Бассараб, В.А. Макагонов, С.Ю. Панков, студент гр. ТФ-141 В.А. Юрьев,

кафедра физики твердого тела ВГТУ

Тонкие пленки оксида цинка (ZnO) были получены методом ионно-лучевого распыления на установке УВМ-2М. Для получения градиента толщин на подложках в ходе одного технологического процесса между мишенью и подложкодержателем устанавливается V- образный экран. Напыление тонких пленок проводилось в вакууме не хуже ~ 7·10-4 Торр. Для изучения влияния условий получения на свойства тонкопленочных образцов, было синтезировано четыре серии образцов при различных параметрах напыления, в каждой из которой толщина тонких пленок ZnO изменялась с номером образца.

Параметры получения тонких пленок ZnO

Рентгеноструктурный фазовый анализ показал, что все образцы имеют две фазы. Одна фаза - аморфный ZnO, что выражается в виде большого протяженного гало на картинах рентгеновской дифракции, вторая фаза кристаллический ZnO – на рентгенограмме имеется 4 четко различимых пика. Оценки степени кристалличности полученных тонких пленок по интегральным интенсивностям областей для аморфной и кристаллической фазы дает значение порядка 7 %.

1 без H2; 2 – 2,5·10-5 Торр.; 3 5,4·10- Торр; 4 9,2·10-5 Торр Рентгенограммы тонких пленок ZnO полученных при различных давлениях водорода

Кристаллическая фаза ZnO характеризуется гексагональной решеткой вюрцита (пространственная группа P63mc), оценка параметров которой дает значения a = 3.322 0.001 Å и с = 5.315 0.002 Å. Сравнивая полученные значения с табличными параметрами (а = 3.325 Å и с = 5.205 Å) можно сделать вывод, что в процессе ионно-лучевого напыления формируются тонкие пленки ZnO с крайне дефектной структурой, что приводит в основном к увеличению параметра с.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки в рамках проектной части государственного задания (проект № 3.1867.2017/ПЧ).

17