2007 год

Тема: Структура, фазовый состав, межфазные взаимодействия и физико-химические свойства наносистем на основе Fe и sp-элементов при деформационных и термических воздействиях.

Результат 1: Впервые получен силикокарбид железа состава Fe₅SiC путем отжига (500^оС, 1 ч) аморфной фазы, полученной механосплавлением смеси порошков железа, кремния и графита. Исследованы его структура, магнитные свойства и термическая стабильность. Силикокарбид Fe₅SiC имеет орторомбическую решетку (пространственная группа симметрии Cmc2.1) с параметрами a=1.0043, b=0.7944, c=0.7469 нм и шестью неэквивалентными локальными конфигурациями атомов Fe, является ферромагнетиком с T_c=780K. При температуре свыше 590^оС силикокарбид Fe₅SiC распадается с образованием сплава Fe₈₄Si₁₆ и графита. Легирование силикокарбида Fe₅SiC водородом, кислородом приводит к формированию силикокарбидов с другим составом и более низкой симметрией решетки.

Результат 2: Экспериментально (рентгеновская дифракция, мёссбауэровская спектроскопия, магнитные измерения) изучена структурная эволюция в аморфной ленте Fe₉₀Zr₁₀ при различных условиях измельчения (температура окружающей среды от 77 до 300K, энергонапряженность мельниц от 3 до 20Вт/г) и сдвиге под высоким давлением. Показано, что во всех случаях имеет место нанокристаллизация аморфного сплава с образованием сверхпересыщенного твердого раствора α-Fe(Zr). Установлено, что механическая деформация является главной причиной нанокристаллизации при измельчении, в то время как сопутствующий локальный тепловой разогрев приводит к незначительному сдвигу продуктов кристаллизации по направлению к равновесию.

Результат 3: В упорядоченных по D0₃- и В2-типам сплавах Fe-Al с концентрацией Al 25<x<35ат.% обнаружено при 77 и 295K явление гигантского магнитосопротивления с отсутствием насыщения на полевых зависимостях ΔR/R в измеренном интервале полей Н_вн до 17кЭ. Тип упорядочения не влияет на величину ΔR/R. Наибольшие по модулю величины ΔR/R реализуются при х=28-30ат.%Al и составляют 0.8%(295K) и 1.6%(77K) для Н_вн=16.5кЭ. Для объяснения проанализированы результаты магнитных и мёссбауэровских измерений. Предложена модель магнитной структуры основного состояния (Т=0), в основу которой закладывается зависимость локального магнитного момента на атоме Fe как по величине, так и по знаку от числа атомов Al в ближайшем окружении. В рамках данной модели при х>25ат.%Al формируются магнитные неоднородности (области с противоположно направленными магнитными моментами) нанометрового диапазона (<5нм) при существовании одного ферромагнитного кластера, занимающего до 80% объема кристалла. Обнаруженное с ростом температуры суперпарамагнитное поведение сплавов дало основание качественно объяснить магнитосопротивление при Т≥77K спин-поляризованным переносом между ферромагнитным кластером и суперпарамагнитными нанообластями.

2008 год

Тема: Структура, фазовый состав, межфазные взаимодействия и физико-химические свойства наносистем на основе Fe и sp-элементов при деформационных и термических воздействиях.

Результат 1: Методами рентгеновской дифракции и атомно-силовой микроскопии, измерениями плотности, микротвердости и коррозионной стойкости изучены объемные нанокомпозиты железо-цементит, полученные магнитно-импульсным прессованием порошков Fe, механоактивированных с графитом (содержание углерода от 5 до 25 ат.) и в присутствии кремнийорганической среды. Компакты Fe+Fe₃C, полученные с графитом, имеют плотность и микротвердость, соответствующию значениям для высокоуглеродистых сталей со структурой мартенсита. Нанокомпозиты Fe+Fe₃C, полученные в кремнийорганической среде, при плотности 7,3 г/cм³ характеризуются необычайно высоким значением микротвердости - 14 ГПа, обладают стойкостью к локальным видам коррозии и высокой электрокаталитической активностью. Такие свойства обусловлены особой структурой нанокомпозита, армированного нановолокнами цементита.

2009 год

Тема: Теоретическое изучение электронных, магнитных и решеточных свойств металлических систем на основе микроскопического квантомеханического подхода.

Результат: Проведены исследования нанодисперсных оксидных керамик и композитов на их основе методом фононной спектроскопии. Предложена и обоснована теоретическая модель процесса распространения слабонеравновесных фононов при гелиевых температурах в системах, основным дефектом которых являются межзеренные границы. Впервые объяснена экспериментально наблюдаемая аномально сильная зависимость коэффициента диффузии фононов от среднего размера зерна керамики при переходе от микро- к наноразмерам. Получены выражения, описывающие зависимость коэффициента диффузии фононов от температуры, и, в случае композитов, от содержания и дисперсности второй фазы. Результаты исследований могут быть использованы при синтезе нанодисперсных керамик с заданными физическими свойствами.

Тема: Структура, фазовый состав и физико-химические свойства наносистем на основе Fe и sp-элементов при деформационных и термических воздействиях.

Результат: Разработана теория аномально ускоренного диффузионного массопереноса в металлах и сплавах при ударных механических воздействиях. Получено аналитическое выражение для уравнения диффузии, определяющего кинетику процессов массопереноса при интенсивном пластическом деформировании материалов. Показано, что аномально ускоренный диффузионный массоперенос может развиваться в режиме волнового процесса, при котором распространение атомов примеси осуществляется в виде конвективного движения через кристаллическую решетку. Получены формулы, позволяющие вычислять скорости распространения диффузионных волн в зависимости от величины внешнего напряжения и температуры. Установлено, что наиболее значимым результатом ударного воздействия является перевод среды в сильно неравновесное состояние, для которого характерно значительное уменьшение энергии активации диффузии под влиянием сдвиговых напряжений, резкое повышение температуры в диффузионной зоне за счет пластического деформирования и значительное пересыщение материала неравновесными вакансиями вследствие деформационных структурно-фазовых превращений.

2010 год

Тема: Структура, фазовый состав, межфазные взаимодействия и физико-химические свойства наносистем на основе Fe и sp-элементов при деформационных и термических воздействиях.

Результат 1: Впервые для композитов «диэлектрическая матрица/ферромагнитный сплав” c наполнителем из нанокристаллических порошков на основе Fe, полученных механоактивацией в различных средах, выявлены основные факторы, определяющие величину и частотную зависимость мнимой части магнитной проницаемости в диапазоне частот 0.1-10 ГГц. Размер частиц определяет интенсивность резонанса доменных границ, который вносит вклад в магнитные потери на частотах ниже 1 ГГц. Химический состав влияет на электрическое сопротивление частиц и, соответственно, на величину скин-слоя и интенсивность ферромагнитного резонанса, определяющего магнитные потери на частотах выше 1ГГц. Пластинчатая форма частиц с малым значением фактора размагничивания вдоль плоскости пластины усиливает вклад от первых двух указанных механизмов.

Результат 2: На основе кинетической теории структурно-фазовых превращений установлено, что при интенсивном пластическом деформировании наноструктура металлических систем достигает предельных состояний, характеризующихся минимально возможным средним размером зерна. Показано, что такие состояния являются точкой динамического равновесия двух конкурирующих процессов - фрагментации нанозерен, осуществляемой механическим двойникованием и фазовыми превращениями мартенситного типа, и роста нанозерен вследствие деформационно-индуцированной рекристаллизации. Результаты теоретических исследований хорошо согласуются с экспериментом и предсказывают явления аморфизации наноструктурированных систем и нанокристаллизации аморфных материалов при механических воздействиях.

2011 год

Тема: Разработка научных основ создания функциональных материалов с использованием механоактивированных нанокомпозитов в качестве прекурсоров.

Результат 1: Методом мессбауэровской спектроскопии на примесных атомах изотопа ⁵⁷Fe (1 ат. %) изучена локализация атомов Fe в композите Мо с 8 ат. % О на границах зерен ОЦК Мо в процессе механического сплавления и последующих термообработках. При переходе механоактивированной системы в наноструктурное состояние (10 нм) выделены три структурные составляющие: граница зерна и приграничные искаженные зоны с общим названием интерфейс, зерно с совершенной (без дефектов) структурой. Получена экспериментальная оценка средних по объему ширин нерелаксированных границы зерна и интерфейса в 0.2 и 1 нм, соответственно. Конечным продуктом механического сплавления является ОЦК нанокристаллический пересыщенный твердый раствор Mo-O-Fe с атомами O в позиции внедрения и атомами Fe в позиции замещения. Установлены три стадии возврата к равновесию механоактивированной наносистемы при изохронных (1 ч) отжигах в интервале температур 300 - 1300°С: структурная релаксация (уменьшение уровня микроискажений); формирование дислокационной структуры при достижении размера зерна 50-60 нм; формирование композита Mo₉₉Fe₁/MoO₂ и уменьшение плотности дислокаций после отжига при 1300°С.

Результат 2: Впервые проведено комплексное исследование процессов формирования структурно-фазового состава и свойств объемных нанокомпозитов Fe+МеC+Fe₃C (Me=Ti, Nb, V), полученных из различных исходных компонентов. Показано, что использование жидкой органической среды в качестве источника углерода в процессе механосплавления позволяет получать как двухфазные (Fe+MeC), так и трехфазные (Fe+MeC+Fe₃C) порошки с нанокристаллической структурой и равномерно распределенной по объему частиц карбидной фазой (рис.). Объемные нанокристаллические композиты, полученные из порошков методом магнитно-импульсного прессования обладают плотностью, близкой к теоретической (~96%), микротвердостью до 16 ГПа и повышенную по сравнению с железом и углеродистыми сталями коррозионную стойкость в нейтральных и щелочных средах.