Поскольку для сложнолегированных многокомпонентных материалов трудно теоретически оценить весомость различных факторов, как благоприятствующих сохранению наноструктуры, так и, наоборот, способствующих её потере, большинство исследователей в настоящее время сосредотачивают усилия на экспериментальном изучении стабильности наноматериалов в различных условиях. Проблема стабильности структуры и свойств наноматериалов затрагивается и в более ранних работах [3-5], но именно в последнее десятилетие отмечается увеличение числа публикаций о жаропрочности и радиационной стойкости этих объектов, хотя информация, в них содержащаяся, имеет достаточно разрозненный характер. Настоящий обзор ставит своей задачей попытку систематизации видов радиационных воздействий на наноматериалы и сопутствующих им эффектов при облучении ионами различных типов и энергий.
В литературе отмечается два основных эффекта ионного облучения – аморфизация наноструктуры под влиянием радиационных дефектов либо, наоборот, удаление радиационных дефектов благодаря наличию многочисленных поверхностей раздела, функционирующих в качестве стоков. Впервые более высокая, по сравнению с крупнокристаллическими объектами, радиационная стойкость нанокристаллических образцов ZrO2 и Pd при облучении ионами Kr была отмечена в работах [3, 4]. При этом подчеркивалась роль поверхностей раздела как стоков для радиационных дефектов. На рис. 1 показано влияние размера нанокристаллитов на концентрацию радиационных дефектов в облученных ионами Kr оксиде циркония (а) и палладии (б) [4]. Как видно из рисунка, дефекты перестают фиксироваться (по деформационному контрасту в просвечивающем электронном микроскопе) при размере зерен менее 15 нм (ZrO2) и 30 нм (Pd), т.е. они регенерируют на границах зерен, а также выходят по межзеренным границам за пределы образцов. Сравнивая нижние границы размеров зерен ZrO2 и Pd, соответствующие свободной от дефектов структуре, можно сделать вывод о более высокой диффузионной подвижности точечных дефектов в палладии, чем в оксиде циркония.
а) б)
Рисунок 1. Влияние размера нанокристаллитов на концентрацию радиационных дефектов в оксиде циркония (а) и палладии (б), облученных ионами Kr [4].
Для иллюстрации эволюции микроструктуры наноструктурных материалов в ходе облучения был развит энергетический подход [6], основанный на сопоставлении суммы свободных энергий, обусловленных границами зерен и точечными дефектами, индуцированными в ходе облучения, с барьером свободной энергии аморфизации. Согласно этой теории, существует определенный оптимальный размер зерен для каждого наноматериала, который обеспечивает наиболее эффективную стойкость к аморфизации. Как схематически показано на рис. 2, существует пять зон в соответствии с размером зерен наноматериалов [2, 6]:
(1) Переход к аморфному состоянию происходит без облучения (d < d1).
(2) Слабое облучение может приводить к переходу к аморфному состоянию (d1 < d < d2).
(3) Облучение не приводит к аморфизации (d2 < d < d3).
(4) Облучение может приводить к аморфизации (d3 < d < d4).
(5) Границы зерен вносят ограниченный вклад в суммарную свободную энергию (d4 < d < dm), и доминирует аннигиляция дефектов за счет объемной рекомбинации, что аналогично крупнокристаллическим материалам (d > dm).
Рисунок 2. Схематические описание для свободной энергии точечных дефектов (ΔGpd), границ зерен (ΔGgb) и фазового перехода (ΔGpt) в облученных наноструктурных материалах в зависимости от размера зерен (d) [6].
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.