3169

УДК 537.9

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ АКТИВНЫХ ГАЗОВ С ЭЛЕМЕНТАМИ НАНОКОМПОЗИТА (Co40Fe40B20)Х(LiNbO3)100-Х В ПРОЦЕССЕ ЕГО СИНТЕЗА

А.В. Ситников1, И.В. Бабкина2, Ю.Е. Калинин3, А.Е. Никонов4, М.Н. Копытин5, А.Р. Шакуров6

1.Д-р физ.-мат. наук, профессор, sitnikov04@mail.ru

2 Кандидат физико-математических наук, доцент ivbabkina@mail.ru

3 Доктор физико-математических наук, профессор kalinin48@mail.ru

4Аспирант, nikonov.sasha1994@gmail.com

5 Кандидат физико-математических наук, доцент michaelkopitin@mail.ru

6 Магистр, aleks.shakurov@mail.ru

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

В данной работе представлено исследование возможных химических взаимодействий активных газов с элементами композита (Co40Fe40B20)Х(LiNbO3)100-Х при различных парциальных давлениях H2O и O2. Выявлено, что скорость окисления металлической фазы при осаждении гетерогенной пленки в среде, содержащей O2, выше, чем в среде, содержащей па-

ры H2O.

Ключевые слова: газовая среда, кислород, пары воды, напыление, нанокомпозит.

Электрические свойства композитов наиболее чувствительны к присутствию в рабочей атмосфере активных газов при ионно-плазменном напылении пленок [1]. Основным остаточным газом в вакуумной камере при безмаслянной системе откачки являются пары воды. Влияние паров воды на электрические свойства композитов, в частности (Co40Fe40B20)Х(LiNbO3)100-Х не проводились, хотя к элементам, входящим в состав данной гетероструктуры, он может быть весьма активен.

Для выявления возможных химических взаимодействий паров воды с элементами композита (Co40Fe40B20)Х(LiNbO3)100-Х были проведены исследования состава газовой среды в вакуумной камере в процессе синтеза пленки и после остановки процесса напыления. Комплексные измерения были проведены при распылении Co, Fe, сплава Co40Fe40B20, соединения LiNbO3 и составной мишени Co40Fe40B20 с навесками из LiNbO3 при различных парциальных давлениях O2 и паров H2O.

Состав остаточных газов в вакуумной камеры измеряли квадрупольным масс спектрометром Extorr XT-100. Концентрация паров воды по отношению к аргону менялась от 0,03 до 3,2 %, а концентрация кислорода от 0,05 до 2,2 %.

Как правило соединение LiNbO3 является стабильным и не реагирует с парами воды. По этой причине надо рассмотреть физические процессы, связанные с ионно-плазменным распылением данного оксида.

Из представленных результатов видно, что скорость окисления металлической фазы при осаждении гетерогенной пленки выше в среде, содержащей O2, чем в среде с парами H2O. Можно предположить, что наличие высокой концентрации H2 (рис. 1, 2) при распылении в среде с парами H2O способствует ча-

11

стичному восстановлению образующихся оксидов металлов из сплава Co40Fe40B20. Кроме того, если в качестве активного газа используются пары воды, то происходит частичное окисление атомов сплава Co40Fe40B20, а литий может образовывать соединение LiOH, входящее в состав диэлектрической фазы композита.

Рис. 1. Временные зависимости давления кислорода в вакуумной камере при распылении сплава Co40Fe40B20 (кривая 1), соединения LiNbO3 (кривая 2) и составной мишени Co40Fe40B20 с навесками из LiNbO3 (кривая 3) в атмосфере Ar (а) и в атмосфере Ar с добавлением О2 (2,2 %) (б)

Рис. 2. Временные зависимости давления паров H2O (кривая 1), H2 (кривая 2) и O2 (кривая 3) в вакуумной камере при распылении составной мишени Co40Fe40B20 с навесками из LiNbO3 в атмосфере Ar с добавлением паров H2O (3,2 %) (а) и паров H2O в вакуумной камере при распылении сплава Co40Fe40B20 (кривая 1), соединения LiNbO3 (кривая 2) и составной мишени Co40Fe40B20 с навесками из LiNbO3 (кривая 3) в атмосфере Ar с добавлением паров H2O (3,2 %) (б)

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 19-29- 03022 мк.

Литература

1. Калинин Ю.Е. Транспортные свойства нанокомпозитов металл-диэлектрик / Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Стогней О.В. // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2007. –Т. 3. – № 11. – С. 6-17.

12

УДК 377.44

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ В ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА АКУСТООПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ С ПРИМЕНЕНИЕМ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ЗАКАЗУ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

О.В. Калядин1, К.Г. Королев2, А.В. Костюченко3, А.А. Гребенников4, А.В. Сергеев5 1Канд. физ.-мат. наук, доцент, kaljadin@gmail.com

2Канд. физ.-мат. наук, доцент, korolev.kg@mail.ru 3Канд. физ.-мат. наук, доцент, av-kostuchenko@mail.ru 4Канд. физ.-мат. наук, anton18885@yandex.ru 5Канд. физ.-мат. наук, sergeev-av@bk.ru

1-5ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

По заказу высокотехнологичного предприятия АО «РИФ» (г. Воронеж) разработана программа повышения квалификации по теме «Разработка и производство акустооптических устройств с применением наноструктурированных материалов».

Ключевые слова: акустооптические устройства, разработка, производство, дополнительное профессиональное образование.

Одним из факторов развития наноиндустрии и инновационной экономики Российской Федерации в целом является значительное улучшение кадрового обеспечения компаний, разрабатывающих и использующих нанотехнологии. Качество производимой продукции, а также уровень как научных исследований, так и спроса в этой междисциплинарной области определяются квалификацией кадров. Разработка и производство оптических и акустических материалов, а также реализуемых на них акустооптических устройств является важной государственной задачей. Объединение в рамках одного предприятия технологических процессов, связанных с получением функциональных материалов и изготовлением на их основе акустооптических компонентов и устройств для систем специального назначения, позволяет оптимизировать производство, устранить его зависимость от иностранных поставщиков.

Разработка программы начиналась с исследования квалификационного запроса компании, которое включало интервью с ее руководством и ключевыми сотрудниками и изучение стратегии или программы развития компании, должностных инструкций, анализ профстандартов, анкетирование специалистов и изучение результатов их деятельности.

В результате были уточнены трудовые функции, которые должны выполнять работники, а также набор компетенций, без которых с актуальными производственными задачами специалисты не справятся. Каждая компетенция была разложена на взаимосвязанные компоненты: опыт практической деятельности, необходимые умения и соответствующие знания. На этой основе были проработаны содержание и технологии обучения.

Формирование знаний, умений и опыта практической деятельности обеспечивались соответственно лекциями, лабораторно-практическими занятиями и

13

производственной практи кой. Были определены адекватные способы и показатели оценки, формы аттестации: практическое задание (е сли компетенцию можно оценить за время менее 8 часов) и выпускная аттестац ионная работа (если оценка компетенции требует более 8 часов).

Эффективность и г ибкость образовательной программы достигаются за счет особой конфигураци и структурных элементов (рисунок). Лекции, охватывающие общие для нескол ьких групп специалистов знания и умения, составляют общепрофессиональный цикл (МДК 01, МДК 02, МДК 03, МДК 04). Единицы содержания, направле нные на получение специализированных образовательных результатов, вход ят в состав профессиональных модулей (ПМ 01, ПМ 02, ПМ 03), обеспечивающ их индивидуальность образовательных траекторий в рамках программы для гр упп слушателей: инженеры-конструкторы по разработке акустооптических устройств; инженеры-технологи по изготовлению и испытанию акустооптических устройств; инженеры-технолог и по производству оптических и акустических материалов для акустооптических устройств.

Модульн ая структура образовательной программы

Среди основных осо бенностей следует отметить, что разработанная программа была выполнена в тесном сотрудничестве с ведущими специалистами в области акустооптики; коэффициент практико-ориентированности образовательной программы состав ляет не менее 65 %; обучение реал изовано в очно-за- очной и дистанционной форме, т.е. с частичным отрывом от производства; дистанционный модуль охватывает 25 % от общего фонда времени программы, а также реализован посредством электронного учебного курса с использованием современных информацио нных технологий и включает в себя необходимые теоретические материалы и тестовый материал для проверки знаний.

Апробация образова тельной программы, выполненная в рамках пилотного обучения группы специалистов компании АО «РИФ» подтвердила работоспособность программы в условиях реального образовател ьного процесса, а

14

также позволила провести мероприятия по коррекции ее основных компонентов для последующего использования их в массовой образовательной практике.

Работа выполнена при поддержке Фонда инфраструктурных и образовательных программ в рамках договора №227-ПК от 3 августа 2020 г.

Литература

1. Трамплин для инноваций. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://edpolicy.ru/springboard-for-innovation.

15

УДК 538.91

ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В БЕСПРИМЕСНОМ ZrO2

А. Н. Смирнов1, И. А. Анисимов2, О. В. Стогней3 1Аспирант, deadpunk@inbox.ru

2Студент, anisimov-ilia2011@yandex.ru 3Д-р физ.-мат. наук, профессор, sto@sci.vrn.ru

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

В работе получены и исследованы пленки беспримесного ZrO2 с орторомбической решеткой. Показано влияние кислородных вакансий на стабилизацию высокотемпературных равновесных фаз в пленках нестабилизированного ZrO2.

Ключевые слова: беспримесный ZrO2, кислородные вакансии, неравновесная и метастабильная структура, высокотемпературные равновесные структуры.

В беспримесном (нелегированном) ZrO2 существует три стабильные структурные модификации: моноклинная (стабильна до температуры 1205 0С), тетрагональная (стабильна в интервале температур 1075 – 2377 0С) и кубическая (стабильна от 2377 0С до температуры плавления). Стабилизация высокотемпературных фаз ZrO2 при комнатной температуре в основном осуществляется за счёт добавления специальных легирующих примесей (как правило, Y2O5). В данной работе показано влияние кислородных вакансий на стабилизацию высокотемпературных фаз в нелегированном ZrO2.

Получение пленок ZrO2 осуществлялось методом ионно-лучевого распыления керамической мишени (моноклинный диоксид циркония) с последующим осаждением материала на подложки в среде аргона (PAr=8,2·10-4 мм.рт.ст).

Структура напыленных плёнок оказалась неравновесной и метастабильной. По данным рентгеновской дифракции пленки имели орторомбическую решетку независимо от типа подложки (аморфная или монокристаллическая) на которую осуществлялось напыление, рис. 1. По всей видимости, образование орторомбической структуры в диоксиде обусловлено неравновесностью условий получения. К тому же одним из факторов существования орторомбической модификации ZrO2 при комнатной температуре является её стабилизация кислородными вакансиями, которые возникают в решетке ZrO2 ввиду того, что осаждение пленок производилось в чистом аргоне. Известно, что при распылении оксидных мишеней в среде чистого аргона напыляемый оксид всегда формируется нестехиометричным, что является причиной высокой концентрации кислородных вакансий.

Орторомбическая структура является неравновесной, поэтому термические отжиги диоксида циркония должны приводить к разрушению этой структуры и формированию равновесной модификации (в данном случае, ожидалось, что это будет моноклинная фаза). Однако, в соответствии данными рентгеноструктурного анализа (рис. 2), отжиги проведённые при Т = 600 0С в течении 5 минут приводят к образованию кубической фазы, которая является равновесной только в области высоких температур и при комнатных температурах стабилизируется при наличии примеси.

16

поэтому пятиминутные отжиги при 600 0С не приводят к снижению их концентрации, даже если отжиг проводился в воздушной среде воздух) (рис.2 и рис.3).

Появление моноклинной (равновесной) фазы наблюдается только после более длительного отжига (120 минут) и при более высокой температуре (700 0С и 750 0С), см. рис 3. Такие режимы отжига способствуют миграции вакансий и выходу их на поверхность, что уменьшает эффективность механизма стабилизации кубической фазы и приводит к формированию равновесной (моноклинной) структуры.

Работа выполнена при поддержке гранта ФЗГМ-2020-0007.

Литература

1. Fabris S. et al. A stabilization mechanism of zirconia based on oxygen vacancies only // Acta Matter. – 2002. – V. 50. – N. 20. – P. 5171-5178.

17

УДК 538.95

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НОВОГО ТВЕРДОГО РАСТВОРА 0,3(K0,5Bi0,5TiO3) – 0,7(Ba3NiSb2O3)

А.П. Анцев1, С.А. Гриднев2, И.Ю. Кобяков3 1Магистрант, takker358@gmail.com

2Д-р физ.-мат. наук, профессор, s_gridnev@mail.ru 3Аспирант, kobyakov.vania@yandex.ru

1-3ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

В данной работе представлена технология изготовления новый твердый раствор 0,3(K0,5Bi0,5TiO3) – 0,7(Ba3NiSb2O3). Исследованы особенности поведения зависимостей тангенса угла диэлектрических потерь. Проведена оценка энергии активации релаксационного процесса.

Ключевые слова: твердые растворы, диэлектрические параметры, энергия активации.

Цирконат-титанат свинца Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) является основным промышленными сегнетоэлектрическим материалом [1]. Недостатком применения PZT является его сильная токсичность и легколетучесть при спекании. Поэтому во всем мире ведется поиск новых сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями своих характеристик в составе которых отсутствовали бы соединения свинца. Самым распространенным методом модернизации свойств перовскитов является получение фаз с неоднородным по объему составом (твердых растворов). В кристаллической решетке таких фаз располагаются атомы разных химических элементов.

Пользуясь стандартной керамической технологией был получен новый твердый раствор 0,3(K0,5Bi0,5TiO3) – 0,7(Ba3NiSb2O3). Спекание проводилось в течении 15 часов при температуре 1000 °С. Каждые 5 часов термообработки проводился промежуточный помол (через 5 и 10 часов соответственно).

Исследование диэлектрических параметров показало особенность поведения частотных зависимостей диэлектрических потерь от температуры (рис.1).

Рис. 1. Частотные зависимости диэлектрических потерь от температуры

18

При температуре 331 °С на частоте 25 Гц наблюдается ярко выраженный широкий пик, который с ростом частоты до 20 кГц смещающийся вверх по температурной шкале. Этот эффект позволяет предположить, что данный пик имеет релаксационную природу.

Из предположения о Дебаевском характере релаксации были найдены значения времен релаксации τ для каждой из пиковых температур. Для этого использовалось условие максимума потерь ωτ = 1. Графически зависимость lnτ от обратной температуры представлена на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость логарифма времени релаксации от обратной температуры

На основании частотного сдвига максимумов на зависимости tgδ(Т) посчитано значение энергии активации релаксационного процесса U, которое имеет значение 0,54 эВ.

Литература

1. Setter N., Waser R. Electroceramic Materials // Acta mater. – 2000. – V. 48. – P. 151-178.

19

УДК 537.323

ВЛИЯНИЕ ФРАКЦИИ И РЕЖИМОВ ПРЕССОВАНИЯ НА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Bi2Te2,2Se0,8

А.Ю.Лопатин1, В.В. Бавыкин2, А.В. Михайлов3, А.А. Гребенников4 1Студент, lopatin-ayu@mail.ru

2Инженер, threeroad@mail.ru

3Канд. техн. наук, mihaylovav@mail.ru

4Канд. ф.-м. наук, anton18885@yandex.ru

1,4ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

3АО Корпорация «РИФ», г. Воронеж

В данной работе представлено исследование влияния фракции и режимов прессования на термоэлектрические свойства теллурида висмута n-типа проводимости.

Ключевые слова: горячее прессование, давление, фракция, термоэлектрическая добротность.

Эффективное использование электрической энергии - проблема на ближайшие десятилетия для многих стран. Задача прямого преобразования тепловой энергии в электрическую является актуальной ввиду истощения природных источников топлива. Широкое использование термоэлектрических генераторов ограничивается низким значением КПД. Результативность преобразования напрямую зависит от качества материала и определяется значением термоэлектрической добротности. Требуются материалы с высокой термоэлектрической добротностью, которые способны эффективно работать в разных температурных диапазонах. Для этого необходимо выяснить влияние фракции и режимов прессования на термоэлектрическую добротность ZT.

Теллурид висмута n-типа проводимости получен методом прямого сплавления исходных компонентов в кварцевой ампуле, откачанной до давления p = 3,5×10-3 Па, при температуре 750°С. Перемешивание расплава осуществлялось качанием печи относительно горизонтальной плоскости на протяжении всего процесса плавки, составлявшего tплав = 60 минут [1].

Используемые материалы: висмут ВИ000, теллур сЧ, селен СВЧ-2. Состав слитка по высоте контролировали сканирующим электронным микроскопом TESCAN MIRA 3. Полученный слиток дробили в перчаточном боксе и просеивали через сито, выделяя фракцию размером 1 < Х < 0,064 мм и 1 < Х < 0,5 мм.

Прессование измельченного материала проводилось в пресс-форме с основанием 10×20 мм2 прессом MEQAMAQ в два этапа:

1.холодное двустороннее прессование при комнатной температуре

• при давлении 60 МПа с выдержкой 15 с;

• при давленнии 240 МПа с выдержкой 15 с;

2.горячее прессование в вакууме при температуре 370 ºС, давлении 500 МПа с выдержкой 360 с.

Было получено 4 образца, характеристики которых приведены в таблице.

20