Изучение физических процессов, происходящих при взаимодействии ускоренных ионов с нанокомпозитными материалами

Содержание

Введение...................................................................................................................3

Глава 1. Изучение физических процессов, происходящих при взаимодействии ускоренных ионов с нанокомпозитными материалами.....................................11

1.1. Пробеги заряженных частиц в материалах..................................................11

Глава 2. Размерные эффекты в наночастицах......................................................18

2.1. Размерная   зависимость   упругих   и   теплофизических   свойств   наночастиц.............................................................................................................18

2.2. Размерная зависимость  магнитных свойств наночастицы........................29

Глава 3. Анализ температурного разогрева наночастиц материала при радиационном воздействии и исследование напряженно-деформированного состояния................................................................................................................32

3.1. Температурный разогрев радиационно-поврежденных областей наноструктурированных материалов..................................................................32

Глава 4. Термоупругое напряженно-деформированное состояние наноструктурированных материалов, формируемое радиационным воздействием..........................................................................................................38

Глава 5. Моделирование процессов формирования и эволюции дефектно-примесной системы в наночастицах при радиационном воздействии..............42

Заключение.............................................................................................................46

Список литературы................................................................................................48

ВВЕДЕНИЕ

Использование наноструктурированных материалов является перспективным в условиях радиационного облучения. Спецификой наноматериалов является их неравновесное состояние, обусловленное наличием многочисленных поверхностей раздела, присутствием неравновесных фаз и сегрегаций, а также остаточных напряжений. Такое состояние обуславливает улучшение их физико-механических свойств и повышение эксплуатационных характеристик. При этом важным является установление стабильности структуры наноматериалов под облучением, поскольку этим, в первую очередь, определяется сохранение ими своих уникальных свойств.

Малый размер зерен и включений, обилие поверхностей раздела, возможное наличие неравновесных фаз, сегрегаций и остаточных напряжений и другие особенности наноструктуры предопределяют возможность управления физико-механическими и физико-химическими свойствами наноматериалов. Так, например, содержание поверхностей раздела в общем объеме материала может достигать ~50% в случае, когда эффективный размер зерен составляет ~6 нм [1]. Следовательно, такие материалы, как правило, обладают свойствами, отличающимися от свойств их крупнокристаллических аналогов, ввиду крайне малого размера зерен и высокого объемного содержания границ зерен и поверхностей раздела.

Микроструктура материалов оказывает большое влияние на эволюцию структурных нарушений, индуцированных в ходе радиационного воздействия. Эти каскады смещения включают пары Френкеля в виде междоузельных атомов и вакансий, а также их кластеры в форме петель или пустот [2]. В ходе каскада столкновений атомы смещаются высокоэнергетической частицей от своих положений в кристаллической решетке и большинство этих атомов занимают новые положения в решетке, что сопровождается образованием так называемого пика смещения. Область пика смещения в монокристаллическом материале достаточно большая из-за эффектов каналирования, что принципиально отличается от поликристаллических материалов, где межзеренные границы могут абсорбировать радационно-индуцированные точечные дефекты и их кластеры. Поскольку границы зерен и поверхности раздела, как известно, выступают в качестве стоков для дефектов всех типов, именно поэтому стойкость наноструктурных материалов к радиационным повреждениям оказывается отличной от стойкости их крупнокристаллических аналогов.

Специфика наноструктуры определяет то обстоятельство, что практически все наноматериалы по своей природе неравновесны, и это ставит на первый план вопрос изучения их стабильности. Как следует из общих соображений, деформационные, термические и радиационные воздействия, приводя к рекристаллизации, гомогенизации, релаксации и др. явлениям, могут сопровождаться большей или меньшей эволюцией наноструктуры и снижением уровня полезных для практики свойств. В отдельных случаях эффект указанных воздействий может быть настолько велик, что можно говорить о потере наноструктурности. Однако, особенности наноструктур препятствуют активной рекристаллизации. К ним можно отнести возможную немонотонную зависимость свободной энергии от размера кристаллитов, присутствие большого числа тройных стыков, образование нановключений при спинодальном распаде, наличие нерастворимых выделений в дисперсионно-упрочненных сплавах и др.