Структура и свойства фольги сплавов Pd-Cu и Pd-Ru, полученной методом магнетронного распыления Донцов, Алексей Игоревич

Введение к работе

Актуальность темы диссертации обусловлена следующим.

Основные подходы к повышению производительности мембранных элементов глубокой очистки водорода - разработка сплавов с более высокой водородопроницаемостью на основе Pd и уменьшение толщины селективного слоя. К мембранным сплавам (МС) предъявляют ряд требований: высокая удельная водородопроницаемость, низкая склонность к дилатации при насыщении водородом, высокие пластичность, прочность и коррозионная стойкость. Исследован широкий спектр мембранных сплавов, выбор которых мотивировался возможностью выполнения этих требований. В разной степени им удовлетворяют сплавы Pd-Cu, Pd-Ru, Pd-In-Ru, Pd-Y. В частности, в аспекте экономии драгоценного металла и возможности реализации фазы с менее плотной кристаллической решеткой, более проницаемой для водорода, наиболее приемлем сплав Pd-40%(масс.)Cu, в котором согласно диаграмме состояния ожидается образование фазы с решеткой CsCl (/-фаза), а с точки зрения сочетания свойств прочности, пластичности и коррозионной стойкости - сплав Pd-6%(масс.)Ru.

Что касается уменьшения толщины селективного слоя, то при получении фольги МС методом прокатки возникает трудность ее изготовления толщиной менее 30 мкм. Одним из альтернативных прокатке способом создания тонкой (до 5 мкм) фольги МС может являться способ, базирующийся на магнетронном распылении (МР) мишени из сплава соответствующего состава, как наиболее полно воспроизводящий в конденсате его элементный состав.

Вариант создания свободной мембранной фольги методами вакуумных технологий практически не используется. Не изучены закономерности роста, структура, свойства фольги мембранных сплавов, получаемых методами термического испарения и конденсации, магнетронного распыления.

Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно- педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракты №02.740.11.0126, №2572), ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2013 годы» (госконтракт №16.513.11.3150), а также поддержана грантами РФФИ (08-08-00214 а) и грантом Президента РФ «Поддержка ведущих научных школ» НШ-7098.2006.

Цель работы. Установление закономерностей формирования структуры тонкой конденсированной фольги в процессе магнетронного распыления сплавов Pd-Cu и Pd-Ru, ее механических свойств и водородопрони- цаемости.

Для этого решали следующие задачи:

в процессе МР получить образцы конденсированной фольги сплавов Pd-Cu и Pd-Ru на ориентирующих и неориентирующих подложках;

исследовать структуру фольги в зависимости от состава и условий наращивания;

исследовать механические свойства полученных образцов фольги;

исследовать водородопроницаемость полученных образцов фольги, в интервале температур 300 - 600 К.

Научная новизна. Впервые:

экспериментальными исследованиями установлена возможность синтеза тонкой фольги системы Pd-Cu с кристаллической решеткой вфазы в процессе магнетронного распыления мишени соответствующего элементного состава;

получены данные о водородопроницаемости конденсированной фольги сплавов Pd-Cu (в-фаза) и Pd-Ru;

получены данные о механических свойствах конденсированной фольги сплавов Pd-Cu (в-фаза) и Pd-Ru.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. 1. Экспериментально установлено, что в процессе магнетронного распыления мишени сплава системы Pd-Cu соответствующего элементного состава возможно формирование однофазной конденсированной фольги с кристаллической решеткой типа CsCl (в-фаза).

   2. Независимо от элементного состава в процессе магнетронного распыления на неориентирующей подложке формируются текстура и градиентная зеренная структура конденсированной фольги, как результат ростовой селекции зерен определенной ориентации: <111> для ГЦК решетки, <110> и <112> для решетки типа CsCl.

   3. Твердость освобожденной от подложки фольги при наноинден- тировании свободной поверхности для обоих сплавов составляет 3,0 - 3,6 ГПа, что на 20 - 50% меньше, чем для поверхности, освобожденной от подложки, что объясняется градиентной структурой.

   4. Водородопроницаемость конденсированной фольги сплава Pd-Cu (/-фаза) (19,41*10^- см -мм-см^- -с^- -кПа^-') почти на порядок величины больше, чем для конденсированной фольги Pd (2,1 *10^- см -мм-см^- -с^- -кПа^-.), и в 4-6 раз больше (эффект менее плотной кристаллической решетки и ее состава), чем для фольги сплавов Pd-Cu (а-фаза) (3,2*10^-3 см³-мм-см^-2-с^-1-кПа^-05) и Pd-Ru (4,21*10^-3 см³-мм-см^-2-с^-1-кПа^-05), полученных прокаткой и магнетронным распылением соответственно.

   Практическая значимость работы. Установленные режимы синтеза методами магнетронного распыления конденсированной фольги упорядоченного твердого раствора Pd-Cu и твердого раствора Pd-Ru могут быть использованы при разработках технологического процесса создания высокоэффективных мембранных элементов глубокой очистки водорода.

   Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих симпозиумах, конференциях и семинарах: VI Всероссийской школе-конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)» (Воронеж, 2007); Международной научной конференции «Ионный перенос в органических и неорганических мембранах» (Туапсе,

   1. 4. 1. ; VII Всероссийской школе-конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)» (Воронеж, 2009); Международной научной конференции «Ion Transport in Organic and Inorganic Membranes» (Краснодар,

         2. ; Международном симпозиуме «Metal-Hydrogen Systems. Fundamentals and Applications» (Москва, 2010); V Всероссийской конференции «Физико- химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах (ФАГРАН-2010)» (Воронеж, 2010); Региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии на базе фундаментальных научных разработок» (Воронеж, 2011); XVII Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (РЭМ-2011) (Черноголовка, 2011); IV Всероссийской конференции по наноматериалам (НАНО-2011) (Москва, 2011).

         Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

         Личный вклад автора. Состоит в разработке методик проведения экспериментов, непосредственном проведении экспериментов, обсуждении результатов и их оформлении в виде научных публикаций. Часть результатов получена в итоге совместных исследований, а именно: синтез образцов фольги с к.ф.-м.н. А.А. Максименко, исследования методом рентгенофазо- вого анализа с к.ф.-м.н. С.В. Канныкиным, исследования методом электронной микроскопии с д.ф.-м.н. Е.К. Белоноговым, исследования механических свойств методом наноиндентирования с к.ф.-м.н А.В. Костюченко; мишени сплавов для магнетронного распыления были изготовлены к.т.н. Н.Р. Рошан (ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН). Автор всем искренне благодарен.

         Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 93 наименований. Работа изложена на 126 страницах, содержит 50 рисунков и 21 таблицу.

         Похожие диссертации на Структура и свойства фольги сплавов Pd-Cu и Pd-Ru, полученной методом магнетронного распыления

         Структура и свойства уопрядоченных сплавов системы Cu-Au-PdВолков, Алексей Юрьевич

         Индуцированная водородом немонотонная структурная эволюция в фольгах сплава Pd-In-RuАкимова, Ольга Владимировна

         

         Молекулярно-динамическое исследование структурных и субструктурных превращений в пленочных гетеросистемах Cu/(001)Pd, Ni(001)Pd, Pd/(001)Cu и Pd/(001)Ni Дмитриев Алексей Анатольевич

         Релаксация упругих и вязкоупругих свойств, обусловленная структурной релаксацией объемных металлических стекол систем Zr-(Cu,Ag)-Al и Pd-Cu-Ni-PАфонин, Геннадий Витальевич

         

         Структурные изменения с ростом толщины пленок Pd,Pd-Cu и гетероструктуры Mo-CuМаксименко Александр Александрович

         

         Структурная самоорганизация кластеров палладия и наноразмерных систем Pd-Cu, Cu-NiМихайлов Евгений Александрович

         

         Релаксация высокочастотного модуля сдвига в объемных металлических стеклах на основе Pd-Cu-PМитрофанов Юрий Петрович

         Влияние энергии плоских дефектов и фазового перехода AlZLl2 на характеристики зернограничного ансамбля ГЦК твердых растворов на основе Ni, Cu и PdПеревалова Ольга Борисовна

         

         Формирование биосовместимых кальций-фосфатных покрытий методом высокочастотного магнетронного распыленияСурменев Роман Анатольевич

         

         Нанокластеры и нанодефекты некоторых ГЦК- металлов: возникновение, структура, свойстваГафнер Юрий Яковлевич