ИРН АР19677662 «Исследование влияния электронного и ионного облучений на модифицированные композиты».

Актуальность проекта: Изучение аномальных эффектов в облученных электронами и ионами полимерах и композитах (политетрафторэтилен, полиэтилен, композитах на основе титана и полимеров) и в промышленности, в приборостроении и машиностроении полимерные и композитные материалы являются незаменимыми материалами, которые дают возможность замены металлов и сплавов, повышают надежность и долговечность машин. Использование деталей и изделий из полимерных и композитных материалов, чистых полимеров и покрытий существенно снижает трудоемкость их изготовления благодаря современным высокопроизводительным и ресурсосберегающим технологиям, что приводит к постоянному расширению области их применения, по достоинству занявших самостоятельное положение при производстве конструкционных материалов. Используются следующие основные подходы: 1. Радиационно-термическая технология модификации материалов и экспериментальные исследования на электронном ускорителе ЭЛУ-6. 2. Разработанная система измерения тока пучка электронов; 3. Изготовленная система охлаждения; 4. Определения энергии пучка электронов: по кривой поглощения электронов, проходящих через стопку поглотителя; 5. Стандартные и оригинальные наши методы изучения структуры: а) просвечивающий электронный микроскоп для изучения дефектов структуры композита, строение границ зерен на уровне нм с высоким разрешением; б) высокоразрешающий атомно-силовой микроскоп «Certus Optic U»; г) высокоразрешающий оптический микроскоп Leica DM 6000M; д) Рамановский спектрометр; 6. Каскадно-вероятностный метод расчета пространственных структур, радиационных дефектов; 8. Метод Кумахова-Комарова и программа Srim – для расчета распределения имплантированных ионов и вакансий по глубине и изучение диффузионных процессов; 9. Экспериментальная пресс-установка для получения композита методом порошковой металлургии; 10. Модифицированная разрывная машина для исследования механических свойств для различных доз электронного и ионного облучения. Описанные подходы дадут возможность достичь поставленных целей, и обоснованы, поскольку позволят также комплексно решить поставленные в данном проекте задачи. Описанные в проекте задачи будут реализованы с привлечением высококвалифицированного научно-технического персонала для работы на самых современных экспериментальных и технологических установках с использованием современных методов и технологий и на основе 30 летнего опыта совместной работы.
Объектом исследования являются полимерные пленки и композиционные материалы.
Целью проекта является радиационно-термическая модификация, изучение новых эффектов в возвратной деформации e_в и в ее скорости e_в¢ в зависимости от времени при различных статических напряжениях в композитных материалах, облученных до различных доз. Изучение свойств и структуры модифицированных материалов.
Ожидаемые результаты проекта: Будет разработана и проведен анализ моделей необлученных и облученных материалов и их выбор. Будет разработана технология получения образцов с заданными параметрами (композиты на основе полимеров и конструкционных материалов: полиэтилен, политетрафторэтилен, полиэфирная смола, титан, цирконий, молибден). Будет проведено выполнение пробных экспериментов и их корректировка. Будет разработана технология радиационной модификации образцов политетрафторэтилена, полиэтилена различных геометрических размеров (+ электроны, +ионы). Будет проведена отработка режимов обработки (интенсивность, доза, температура, нагрузка). 3. Будут созданы модели по зависимости деформации от температуры при различных статических напряжениях и дозах облучения. Будут получены, накоплены и исследованы новые экспериментальные данные возвратной (eв) деформации и ее скорости от приложенного напряжения (s) и температуры (Т), Будет проведено описание формулами экспериментальные данные.. Будет проведена радиационная (электроны, ионы) модификация свойств тонких и массивных материалов и покрытий (на основе титана, смолы, циркония, молибдена). Будет проведен выбор температурных и дозовых режимов. Будут проведены электронно-микроскопические исследования структуры необлученных и облученных систем. Будут изучены физические свойства необлученных и облученных материалов на основе полиэтилена, политетрафторэтилена, смол и различных элементов. Будет проведено влияние облучения на физико-механические свойства выбранных массивных композиционных материалов и покрытий (на основе титана и смол). Изучение закономерностей эффектов деформации. Будут проведены атомно-силовые, рентгеноструктурные исследования исследуемых материалов. Будет разработана радиационно-термо-механическая технология модификации материалов. Будут проведены теоретические исследования. Будет проведена разработка моделей и описание экспериментальных данных. Будет проведено установление механизмов аномальных эффектов. Будет проведено обсуждение полученных результатов. Будут проведены сравнительные исследования полученных результатов по воздействию различных факторов на свойства исследованных материалов (электроны, ионы, доза, напряжение, температура, время). Будет проведен анализ результатов. Будет проведена корректировка технологий. Будет выпущена опытная партия образцов.
Достигнутые результаты:
1. Произведена разработка и анализ моделей необлученных и облученных материалов и выполнен их выбор. Разработаны технологии получения образцов с заданными параметрами ( композиты на основе полимеров и конструкционных материалов: полиэтилен, политетрафторэтилен, полиэфирная смола, титан, цирконий, молибден). Выполнены пробные эксперименты и их корректировка.
Анализ зависимости относительного удлинения (деформации) от напряжения показывает, что деформация фактически  растет по экспоненциальному закону. Для полиэтилена максимальное значение механической деформация составляет 60 %. Для описания экспериментальных данных разработано несколько моделей. В частности: 1. Линейная. 2. Экспоненциальная. 3. Квадратичная. 4. Экспоненциально-квадратичная и др. Составлены дифференциальные уравнения для каждой модели и получены соответствующие аналитические выражения для зависимости деформации от напряжения. Определены начальные и граничные условия. Показано, что при малых деформациях из экспоненциальной модели (путем разложения экспоненты в ряд) получается линейная модель (а затем и закон Гука). Экспериментальные данные неплохо описываются не только экспоненциальной, но и квадратичной моделью. Ошибка составляет менее 5 %. Расхождение между законом Гука и экспериментальными данными (при максимальной деформации как для необлученнго, так и облученного материала) составляет более 100 %.
Аналогичное поведение деформации наблюдается на политетрафторэтилене и полиэтилентерефталате. Показано, что на композитах, изготовленных на основе титана, циркония, азота и др. в заданном интервале параметров успешно работает линейная модель (из-за малой деформации). Проведены исследования и анализ моделей дозовых зависимостей деформации и напряжения. Установлены области определения, максимальные и минимальные значения исследуемых функций и параметров. Проведен анализ модели зависимости деформации от времени. Показано, что из этой модели, путем дифференцирования можно получить аналитическое выражение для скорости деформации. Получено, что облучение, как ионами, так и электронами существенно влияет на деформационные свойства материала.
2. Проведена разработка технологии радиационной модификации образцов политетрафторэтилена, полиэтилена различных геометрических размеров(+ электроны, +ионы). Кроме этого отработаны конкретные режимы обработки (интенсивность, доза, температура, нагрузка). В качестве исследуемого материала был выбран пленочный полиэтилен толщиной 23 мкм. Оборудованием для производства данного полимера является автоклав, который изготовлен из высокопрочной стали, выдерживающий высокое давление до 100 атм. Установка снабжена якорной вешалкой и рубашкой для нагревания и последующего охлаждения. На подготовительном этапе автоклав был охлажден и освобожден от воздуха. Температурный режим доводился до 70 – 80 °С, при этом давление составляло от 40 до 100 атм. Реакция заканчивается, когда падает давление – это является сигналом завершения процесса изготовления материала. Выход продукта за один час составляет 80 % от общей массы заложенного сырья. Листы пленки разрезались на полоски шириной 5 мм с помощью специального нарезного устройства с регулируемой шириной и длиной нарезания образцов. Рабочая длина образцов составила: 5, 7, 10, 12 см. Полученные пленочные образцы были облучены различными дозами 1,5 *10⁶, 1,6 *10⁷, 5,0*10⁸; и 1,0 *10⁹ частиц с ионами криптона с энергией 147 МэВ в условиях окружающей среды. Часть не подвергалась облучению, и использовались как контрольные образцы. Образцы пленок для облучения устанавливались на расстоянии 300 мм от выходного окна ускорителя. Величина тока пучка составляла 0,16 мкА/см². Распределение дозы внутри ускорительного зала определяли с помощью дозиметрической системы ДРГ – 01т1. Температура материала при исследованиях составляла 23 ⁰С. Кроме того, испытания на растяжение проводились в соответствии с ASTM-D882 Стандарт на универсальной разрывной машине модель РУ-50, со скоростью хода 16 мм/мин при частоте переменного тока 10 Гц, которая управляется инвертером CHNT. С целью проведения исследований зависимости относительного удлинения (Elongation, e) от напряжения (Mecanics stress, s)  и других зависимостей нами была модернизирована установка, которая обеспечивает возможность измерений параметров с использованием датчиков движения и силы при различных нагрузках и их изменения со временем. В установке использован интерфейс с датчиками движения и силы фирмы Science Cube. Частота сбора данных по деформации составила 2,5 мм*с^-1, а измерение механического напряжения различно из-за изменения модуля Юнга при удлинении. При исследовании массивных материалов использовалось реактивное магнетронное распыления (МС), соотношение азота и кислорода  регулировалось для контроля фазового и химического состава пленок. Введение добавок N в покрытие TiO₂ индуцирует ионы Ti₃+ и дефекты внутри решетки. В результате изменяется ширина запрещенной зоны и происходит переход от монокристаллического рутила (TiO₂) к поликристаллическому анатазу (TiOxNy). Установлено, что МС-осажденные пленки оксинитрида титана в зависимости от давления газа могут образовывать различные структуры,  в частности, три основные структуры с различной концентрацией металлоидов: нитрид титана (TiN:O), оксид титана (TiO₂:N) и твердый раствор (TiOxNy). В зависимости от содержания кислорода решетка TiN искажается во время процесса МС, что в конечном итоге приводит к тетрагональному TiO₂. Экспериментальная твердость и модуль Юнга при фазовом превращении варьировались от 15,8 до 5,2 ГПа и от 273 до 142 ГПа соответственно. Сосуществование нескольких фаз в пленке может привести к изменению функциональных свойств. Толщина слоя TiN сыграла решающую роль в превращении поверхности из гидрофобной в высокогидрофильную. В сравнительном исследовании в пленке сосуществовали как рутиловая, так и анатазная структуры TiO₂. Причиной было N-легирование решетки TiO₂, сопровождающееся наличием O-вакансий. Образование кислородных вакансий в структурах нитрида титана или Ti–O–N индуцирует перенос заряда и повышает биосовместимость по сравнению с чистым нитридом титана или многослойными структурами TiN/TiO₂ Важно отметить, что плазменные разряды с чистой оксидной атмосферой и смесью O – N различны. Создание пятен частиц заряда в оксидах, которые взаимодействуют с атомами решетки азота на поверхности мишени во время разряда, делает процесс еще более проблематичным. В целом, условия проявления свойств на состояние и взаимосвязь азота и кислорода, проявляются, влияя на ориентацию и переходный баланс и, следовательно, проявляются функциональные свойства. Целью работы было исследование морфологии, структурно-фазового и химического состава и механических свойств образцов, основанных на методе реактивного магнетронного распыления, в зависимости от повышенного содержания газов N₂ и O₂, а также изучение диаграммной и установленной связи между режимами фармакологического и медико-биологического анализа пленок TiON. Для применения была создана специальная установка для напыления, предназначенная для РС постоянного тока. Эллипсометрию округляли до 143,2 ± 11,2 нм (образец 1), 134,8 ± 7,5 нм (образец 2) и 145 ± 10 нм (образец 3). Морфологию поверхности анализировали с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) FEI Quanta 400 с использованием вторичных электронов (ВЭ). Инфракрасная спектроскопия (ИК) использовалась для идентификации химических связей в оксинитридных покрытиях. Спектры оптического поглощения получали на приборе Termo Nicolet 5700 в диапазоне 400 – 4000 см^–1. Рентгенофазовый анализ (РФА) пленок проводили на дифрактометре ARL X’TRA фирмы Thermo Scientific (Cu-Kα-излучение, 30 кВ, 30 мА). База данных рентгеновской дифракции ICDD, сопровождающая это устройство, позволила идентифицировать пики картин дифракции оксидов. Размер кристаллитов D оценивали по графику Вильямсона-Холла. Исследования методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) проводили на спектрометре К-Альфа (Thermo Fisher Scientific). Монохроматическое излучение оксида алюминия используется (hν = 1486,6 эВ для AlKα) для получения спектров фотоэмиссии с поверхности пленки. Все спектры калиброваны по скорости С1с с установкой связи 285,0 эВ. Экспериментальные данные обрабатываются методом аппроксимации с использованием функций Гаусса и Лоренца в программе CasaXPS. Погрешность определения энергий повышенной опасности ±0,2 эВ. Механические свойства были протестированы с использованием прибора NanoScan-4D Tester (UCSU Modern Nanotechnologies), способного измерять твердость и модуль упругости путем наноиндентирования и топографии поверхности в нанометровом масштабе. Выбранные величины нагрузки 3, 5 и 10 мН, средней толщины покрытия. Делали и усредняли до 10 отпечатков, ориентированных в одну линию через каждые 50 мкм. Толщина покрытия была слишком мала, чтобы соответствовать сочетанию «10 % соответствия». Для того чтобы учесть подложки, имеется формула: H = HS (Hf HS)MS.
3. Создан ряд моделей по зависимости деформации от температуры при различных статических напряжениях и дозах облучения. Экспериментально исследована зависимость деформации от температуры в полиэтилене, политетрафторэтилене и др. при различных статических нагрузках и экспозиционных дозах. После облучения электронами с энергией 2 МэВ дозами 10, 30, 50, 70 и 100 кГр. и ионами с энергией 147 МэВ обнаружены существенные изменения механических свойств, которые объясняются образованием нанодефектов в структуре материала. Полученные кривые как для не облученного, так и для облученного материала удовлетворительно описаны в рамках экспоненциальной модели. В качестве исследуемого материала был выбран также пленочный полиэтилен толщиной 50 мкм. Листы пленки разрезались на полоски размером 5 × 70 мм². Полученные пленочные образцы были облучены электронами и ионами различными дозами в условиях окружающей среды. Часть материалов не подвергалась облучению, и использовались как контрольные образцы. Облучение проводилось на линейном ускорителе ЭЛУ-6 с энергией 2 МэВ. Вакуум в системе ускорителя, предназначенный для разгона электронов до релятивистских скоростей, поддерживался равным 1,33*10^-6 мм.рт.ст. Мощность дозы составила 60 ± 0,06 Гр/с. Предел прочности полимера равен 8,6 МПа и в качестве статического напряжения взята величина равная половине его предела прочности.С целью проведения исследований зависимости относительного удлинения (Elongation) от температуры (Temperature) нами была разработана и  изготовлена установка, которая обеспечивает возможность измерений параметров с использованием датчиков движения и силы при различных нагрузках и их изменения со временем. В установке использован интерфейс с датчиками движения и силы фирмы Science Cube.
После облучения деформационные свойства полиэтилена существенно изменяются. К примеру, относительное удлинение ПЭ облученного дозой 100 кГр уменьшилась на 12,5 % по отношению к деформации необлученного материала. Причиной этому служат, происходящие деструкции в наномасштабах и деградация цепей в структуре полимера.  Кривые для доз 0, 10, 30, 50, 70 и 100 кГр лежат очень близко друг другу. Данные сведены  в таблицу. Как следует из экспериментов, кривые с дозами 10 – 70 кГр, лежат между кривыми  с дозами облучения 0 и 100 кГр. Зависимость относительного удлинения от дозы облучения полиэтилена при различных температурах и статическом напряжении 4,3 МПа показывает, что с увеличением дозы облучения деформация ПЭ при разных температурах уменьшается из-за деструкции в структуре материала. Аналогичные результаты имеют место и на других материалах.
4. Получение, накопление и исследование новых экспериментальных данных возвратной (e_в) деформации и ее скорости от приложенного напряжения (s) и температуры (Т), Описание формулами экспериментальных данных.
Получен, накоплен и исследован ряд новых экспериментальных данных возвратной (e_в) деформации и ее скорости от приложенного напряжения (s) и температуры (Т), Описаны формулами полученные экспериментальные данные.
Изучено влияние различных факторов на скорость возвратной деформации политетрафторэтилена и полиэтилена. Экспериментально исследована зависимость скорости возвратной деформации (ε’r) от времени (t), дозы электронного и ионного облучения (D) и механического напряжения (σ) в тонких пленках политетрафторэтилена и полиэтилена. Были обнаружены значительные изменения ε’r в зависимости от t, D и σ. Уменьшение скорости возвратной  деформации при облучении материала связано с фрикционными свойствами между макромолекулами и изменением структуры, что приводит к более слабому распрямлению полимеров и их плохому скольжению. Полученные кривые как для необлученного, так и для облученного материала удовлетворительно описываются экспоненциальной и линейной моделями. Для зависимостей ε’r от D это убывающие функции, а для скорости деформации ε’r от σ – возрастающие функции.
Модуль упругости зависит от длины цепи, а цепи короче 100 Å приводят к увеличению максимальной прочности. Коэффициент трения полимера в этом случае зависит от направления при сжатии и скручивании. Существует множество интересных работ, связанных с изучением свойств и разнообразным применением политетрафторэтилена, полиэтилена и композитов на их основе в различных отраслях жизнедеятельности человека. Например, наблюдается улучшение воспламенения размолотых смесей бор-политетрафторэтилена, антиасфальтовых свойств композиционных покрытий при высоких температурах, трибологических свойств композитов, фрикционных и износостойких характеристик ПЭ и ПТФЭ, композитов для ультразвуковых двигателей, механические характеристики и износостойкость ПТФЭ, полученных смешением растворов. Получено, что облучение электронами и ионами приводит к существенным изменениям деформации, скорости деформации и др.
Новизна данных исследований состоит в получении принципиально новых результатов возвратной деформации, скорости возвратной деформации и аномальных эффектов в облученных системах.Состав исследовательской группы:

1. Купчишин Анатолий Иванович – главный научный сотрудник, д.ф.м.н., профессор, руководитель проекта;
2. Погребняк Александр Дмитриевич – главный научный сотрудник, д.ф.м.н., профессор, исполнитель;
3. Абдухаирова Алчачак Танышевна – главный научный сотрудник, к.п.н., исполнитель;
4. Тлебаев Кайрат Бейшенович – главный научный сотрудник, д.ф.м.н., профессор, исполнитель;
5. Ходарина Наталья Николаевна – научный сотрудник, исполнитель;
6. Тронин Борис Алексеевич – научный сотрудник, исполнитель;
7. Ниязов Марат Нурпулатович – научный сотрудник, магистр, исполнитель;
8. Сущих Анастасия Михайловна – младший научный сотрудник, исполнитель;
9. Джумадиллаев Калдархан Нурмаханович – научный сотрудник, исполнитель;
10. Ламбекова Торгын Ерсайыновна – бухгалтер, исполнитель;
11. Джумадиллаева Айдана Калдарханкызы – младший научный сотрудник, исполнитель;
12. Бекмурат Динара Құрманханқызы – младший научный сотрудник, исполнитель;