Статья опубликована в рамках: XI Международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (Россия, г. Новосибирск, 25 июня 2012 г.)

Наука: Технические науки

Секция: Нанотехнологии и наноматериалы

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Илясов В.В., Нгуен В.Ч. ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОСТРУКТУР ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ // Технические науки - от теории к практике: сб. ст. по матер. XI междунар. науч.-практ. конф. – Новосибирск: СибАК, 2012.
Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

 


 


Илясов Виктор Васильевич


д-р техн. наук, проф. кафедры физики, ДГТУ, г. Ростов-на-Дону


Нгуен Ван Чыонг


cтудент кафедры ФиПМ, ДГТУ, г. Ростов-на-Дону


E-mail: chuongnguyen11@gmail.com


 


RESEARCH NANOSTRUCTURES SURFACES OF MATERIALS


BY METHODS LASER RADIATION


Victor Ilyasov


Doctor of Technical Sciences, Department of Physic, DSTU, Rostov on Don


Nguyen Van Chuong


Student departmet P&AM, DSTU, Rostov on Don


 


АННОТАЦИЯ


В статье представлен метод лазерного наноструктурирования поверхности твердых тел для повышения физико-механимческих, электрических, тепловых и электронно-эмиссионных свойств материалов.


ABSTRACT


In this paper is presented the method of laser nanostructuring the surfaces of materials to enhance physical, mechanical, electrical, thermal and electron - emission properties of materials.


 


Ключевые слова: Лазер; наноструктура; микроскоп.


Key words: Laser; nanostructure; microscope.


 


Исследования последних лет показали, что наноструктурные поверхностные материалы с размером зерен менее 100 нм обладают улучшенными физико-механическими свойствами. Наноразмерные кристаллические зерна имеют не только высокую термическую стабильность, но и придают покрытиям сверхвысокую прочность и ударную вязкость. Использование лазерного наноструктурирования позволяет достичь здесь наилучших результатов.


Процесс облучения материала интенсивным импульсным лазерным пучком сопровождается изменением структурно-фазового состояния приповерхностной области. Тонкий расплав материала, присутствующий на поверхности мишени, после окончания импульса начинает охлаждаться с высокой скоростью, что приводит к значительному его переохлаждению и повышает вероятность зародышеобразования твердой фазы, следовательно, у поверхности резко увеличивается концентрация центров зародышеобразования, другими словами, происходит измельчение зерен. Размер зерен на поверхности после облучения может составлять сотни или даже десятки нанометров. Таким образом, облучение приводит к формированию околоповерхностных наноструктур, физические свойства которых могут заметно отличаться от свойств структур в крупнозернистом состоянии.


Этот метод называется методом «прямого лазероного наноструктурирования» (рис. 1).



Рис. 1. Сущность метода «прямого лазероного наноструктурирования»


 


Для наноструктурирования поверхности углеродосодержащих материалов еще используют метод « косвеного лазерного наноструктурирования»: формирование наноструктур на поверхности подложки, расположенной на некотором растоянии от мишени (рис. 2). При этом на подложке происходит осажение продуктов абляции.


Геометрия процесса лазерной абляции и напыления, реализованного в описываемых ниже экспериментах [3].



Рис. 2. Метод косвенного лазерного наноструктурирования твердых тел


 


Сфокусированный лазерный пучок попадал на край графитовой мишени под небольшим (5—10°) углом к поверхности. Подложка из нержавеющей стали располагалась параллельно оси лазерного пучка на фиксированном расстоянии (менее 0,5 мм) от мишени. Плазма, об разующаяся при импульсном испарении материала мишени, имела видимый размер около 1 мм (по нормали к поверхности) и касалась поверхност подложки. Облучение мишени осуществлялось 300-Пикосекундными импульсами твердотельного Nd:YAP-лазера надлине волны 1078 нм. Энергия импульса составляла около 3 мДж при частоте следования импульсов 5 Гц. Излучение фокусировалось стеклянной линзой в пятно диаметром 40 мкм по уровню интенсивности 1/е2, так что интенсивность импульса достигала 1010 Вт/см2. Для увеличения площади напыления лазерный пучок двигался относительно подложки (и мишени) вдоль оси, перпендикулярной плоскости подложки. Вскоре после начала процесса напыления промежуток между подложкой и мишенью заполнялся взвесью испаренных углеродных микрочастиц, что приводило к инициированию низкопорогового пробоя воздуха. Поскольку частота следования лазерных импульсов была невысокой, то даже маломощный вентилятор легко сдувал эту взвесь, что позволяло предотвратить нежелательный пробой.


 


Зависимости размер задыроша от исходных параметров [1]:


 


где: U- энергия активации перемещения атома; t- продолжительность лазерного импульса; k- постоянная Больцмана k=1,38.Дж/К; - температура фазового превращения; - средная скорость охлаждения расплава; -дебаевская частота колебания атомов в переохлаждении жидкости; d- характерный размер, приходящийся на один атом; h-теплота фазового превращения на один атом


Формирование наноструктур на поверхности разных твердых материалов было обнаружено при многократном воздействии одним пучком наносекундного ArF-лазера с длиной 193 нм. На рис. 3 приведен метод «прямого лазерного наноструктурирования» [2].



Рис. 3. Схема рабочей камеры


 


В этой схеме 1. Корпус с камеры; 2. Прозрачная пластина из флюорита для отвода части интенсивностипучка в измеритель энергии; 3. Измеритель энергии; 4. Форкусирующая линза; 5. Держатель образца; 6. Образец; 7. Герметичный ввод для перемещения держателя образца; 8. Прозрачное окно для наблюдения снаружи за перемещение образца в камере; 9. Задний съемный фланец камеры


Анализ профилей облученных поверхностей проводился с помощью атом-силового микроскопии (АСМ). Фотографии рельефа на поверхности т в результате облучения наносекундным ArF-лазером с длиной вольны 193 нм (рис. 4).


 


Рис. 4. Фотографии типа 2D и 3D рельефа на поверхности титана в результате облучения наносекундным ArF-лазером с длиной волны 193 нм


 


Расчеты параметров лазерного наноструктурирования при разных длительностях лазерного импульса на различные материалы приведенны в табл.1.


Таблица 1.


Расчет характеристик лазерного структурирования

Q,

Материал

t ,c

y, мкм

,

,нм

 

 

Нержавеющая сталь

0,7

2,1

0,3

1,7

12

2,6

Никель

1,3

7,7

0,4

2,5

32

3,3

Титан

1,0

7,7

0,7

2,3

46

6,6


 


Как видно из таблицы длительность импульса лазерного излучения оказывает влияние на параметры облученных поверхности материала: чем меньше длительность импульса тем меньше размеры зародыша кристализации.


Расчет параметров формирующей наноструктуры на пример Тi дает величину порядка 60 нм при плотности энергии 6 , что согласуется с результатами экперимента.


 


Выводы:


Наноструктурирование поверхности твердых тел позволяет улучшать физико-механические, электрические, тепловых свойства материалов, может применяться для увеличения ресурса работы деталей машин и стойкости инструмента.


Установлена зависимость параметров образующейся поверхностной наноструктуры от плотности падающей энергии в лазерном пучке, что указывает на возможность управления процессами формирования таких структур.


 


Список литературы:


1.Аракелян С.М. Лазерное наноструктурирование материалов: методы реализации и диагностики: учеб. пособие Владим. гос. ун-т. – Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2010. –140 с.


2.Лапшин К.Э., Обидин А.З., Токарев В.Н., Хомич В.Ю., Шмаков В.А., Ямщиков В.А. Прямое лазерное наноструктурирование поверхности алмазных пленок и керамики нитрида кремния наносекундными импульсам излучения F2 – лазера // Российские нанотехнологии. Том 2. № 11—12. 2007. С. 28—30.


3.Миколуцкий С.И., Хомич В.Ю., Шмаков В.А., Ямщиков В.А. Зарождение и рост наноструктур на поверхности твердого тела, оплавленного лазерным импульсом // Российские нанотехнологии. Том 6. № 11—12. 2011. С. 65—69

Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

Оставить комментарий