Модификация структуры поверхности углеродных материалов при ионном облучении

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В работе было проведено исследование воздействия потоков ионов дейтерия высокой интенсивности (порядка 1024 ион/м2⋅с) на поверхность анизотропных материалов на основе углерода — пиролитического графита и углеродного композита с нитями на основе полиакрилонитрилового волокна со структурой типа “onion-skin”. Показано, что фрагментация поверхностных графеновых слоев во время облучения интенсивными потоками ионов дейтерия и возникающие при этом сжимающие напряжения приводит к изгибу отовравшихся поверхностных графеновых слоев и формированию системы холмов. При дальнейшем облучении происходил обратный процесс образования на склонах холмов параллельных поверхности слоев графена, а на их вершинах — кристаллов со слоями, также параллельными поверхности. При облучении боковой поверхности углеродных волокон со структурой типа “onion-skin” на ней образовывались гофры, перпендикулярные оси волокна, если ионы, внедряющиеся в поверхность, провоцировали сжимающие напряжения, приводящие к фрагментации и изгибанию приповерхностных слоев, а степень разрушения структуры волокна оказывалась достаточной для повторной эмиссии ионов. Параллельные оси волокна складки получались в случае, если при большой длине пробега облучающих ионов максимум напряжений создавался на определенной глубине, а степень разрушения поверхностных слоев была недостаточной для выхода внедренных ионов. В данном случае механизм деформации поверхности волокна схож с механизмом образования блистеров. Ионное облучение торцов волокон приводило к их возвышению над поверхностью матрицы и рекристаллизации торчащих участков. Графеновые плоскости кристаллов имели ориентацию, перпендикулярную оси волокна. Результаты работы позволяют сделать заключение, что, независимо от оригинальной ориентации графеновых слоев образца и направления ионного потока, мишень при облучении претерпевает последовательное взаимно перпендикулярное превращение.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Л. Б. Беграмбеков

Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”

Email: np9293@my.bristol.ac.uk
Россия, Москва, 115409

Н. А. Пунтаков

Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”

Автор, ответственный за переписку.
Email: np9293@my.bristol.ac.uk
Россия, Москва, 115409

А. В. Грунин

Акционерное общество “Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н.А. Доллежаля”

Email: np9293@my.bristol.ac.uk
Россия, Москва, 101000

Список литературы

  1. Begrambekov L., Brosset C., Bucalossi J., Delchambre E., Gunn J.P., Grisolia C., Lipa M., Loarer T., Mitteau R., Moner-Garbet P., Pascal J.-Y., Shigin P., Titov N., Tsitrone E., Vergazov S., Zakharov A. // J. Nucl. Mater. 2007. V. 363–365. P. 1148. https://www.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2007.01.147
  2. Lipa M., Chappuis Ph., Chaumat G., Guilhem D., Mitteau R., Ploechl L. // Fusion Technology. 1996. P. 439. https://www.doi.org/10.1016/B978-0-444-82762-3.50080-X
  3. Беграмбеков Л.Б., Пунтаков Н.А., Айрапетов А.А., Грунин А.В., Довганюк С.С., Захаров А.М., Саввин Н.О., Грашин С.А., Архипов И.И. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2023. № 12. С. 101. https://www.doi.org/10.31857/S1028096023080058
  4. Минаев В.Б., Минеев А.Б., Сахаров Н.В., Петров Ю.В., Бахарев Н.Н., Бондарчук Э.Н., Бондарь А.В., Варфоломеев В.И., Воронова А.А., Гусев В.К., Дьяченко В.В., Кавин А.А., Кедров И.В., Конин А.Ю., Кудрявцева А.М., Курскиев Г.С., Лабусов А.Н., Мирошников И.В., Родин И.Ю., Танчук В.Н., Трофимов В.А., Филатов О.Г., Щеголев П.Б. // Физика плазмы. 2023. Т. 49. № 12. С. 1375. https://www.doi.org/10.31857/S0367292123600851
  5. Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Машкова Е.С., Шульга В.И. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2016. № 4. С. 51. https://www.doi.org/10.7868/S0207352816040041
  6. Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Виргильев Ю.С., Машкова Е.С., Севостьянова В.С., Шульга В.И. // Поверхность. Рентгенов., синхротр. и нейтрон. исслед. 2013. № 3. С. 103. https://www.doi.org/10.7868/S0207352813030050
  7. Kaguchi Y., Meguro T., Hida A., Takai H., Maeda K., Yamamoto Y., Aoyagi Y. // Nucl. Instrum. Methods Phys. B. 2003. V. 206. P. 202. https://www.doi.org/10.1016/S0168-583X(03)00727-4
  8. Hechtl E., Bohdansky J. // J. Nucl. Mater. 1986. V. 141–143. P. 139. https://www.doi.org/10.1016/S0022-3115(86)80023-X
  9. Jeong S.H., Lim D.C., Boo J.-H., Lee S.B., Hwang H.N., Hwang C.C., Kim Y.D. // Appl. Catalysis A: General. 2007. V. 320. P. 152. https://www.doi.org/10.1016/j.apcata.2007.01.026
  10. Andrianova N., Borisov A.M., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A., Makunin A.V., Vysotina E.A. // Vacuum. 2022. V. 205. P. 111477. https://www.doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111477
  11. Jimbou R., Nakamura K., Bandourko V., Okumura Y., Akiba M. // J. Nucl. Mater. 1998. V. 258–263. P. 724. https://www.doi.org/10.1016/S0022-3115(98)00252-9
  12. Андрианова Н.Н., Аникин В.А., Борисов А.М., Казаков В.А., Машкова Е.С., Овчинников М.А., Савушкина С.В. // Известия РАН. Серия физическая. 2018. Т. 82. № 2. P. 140. https://www.doi.org/10.7868/S0367676518020023
  13. Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Казаков В.А., Макунин А.В., Машкова Е.С., Овчинникова М.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2020. № 3. C. 20. https://www.doi.org/10.31857/S1028096020030036
  14. Авилкина В.С., Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Борисов В.В., Машкова Е.С., Тимофеев М.А., Виргильев Ю.С. // Прикладная физика. 2010. № 3. C. 42.
  15. Azizov E., Barsuk V., Begrambekov L., Buzhinsky O., Evsin A., Gordeev A., Grunin A., Klimov N., Kurnaev V., Mazul I., Otroshchenko V., Putric A., Sadovskiy Ya., Shigin P., Vergazov S., Zakharov A. // J. Nucl. Mater. 2015. V. 463. P. 792. https://www.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.01.015
  16. Andrianova N.N., Borisov A.M., Vorobyeva E.A., Ovchinnikov M.A., Sleptsov V.V., Tsyrkov R.A. // Phys. Atomic Nuclei. 2023. V. 86. Iss. 10. P. 2191. https://www.doi.org/10.1016/j.vacuum.2021.110177
  17. James F. Ziegler, M.D. Ziegler, Biersack J.P. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2010. V. 268. Iss. 11–12. P. 1818. https://www.doi.org/10.1016/j.nimb.2010.02.091
  18. Мартыненко Ю.В. Теория блистеринга. Москва: ИАЭ им. И.В. Курчатова, 1979. 41 c.
  19. Гусева М.И., Мартыненко Ю.В. // Успехи физических наук. 1981. Т. 135. Вып. 4. P. 671. https://www.doi.org/10.1070/PU1981v024n12 ABEH004758
  20. Беграмбеков Л.Б. Процессы в твердом теле под действием ионного и плазменного облучения. Учебное пособие. Москва: МИФИ, 2008. 196 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематичное изображение поперечного сечения углеграфитового волокна со структурой типа “onion-skin” (а); схема блока ионно-плазменного облучения установки “СОПТМАТ” (б): 1 — облучаемый образец; 2 — антидинатронный электрод; 3 — подвижный охлаждаемый столик; 4 — ввод образца; 5 — плазма в цилиндрической вакуумной камере; 6 — подвижная диафрагма, формирующая и фокусирующая ионный поток на образец; 7 — сфокусированный ионный поток ионов плазмы.

Скачать (25KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Разделение на фрагменты и загиб слоев образца пиролитического графита после первого цикла облучения (Φ = 7 × 1022 ион/м2).

Скачать (15KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Поверхность образца пиролитического графита после 3 (Φ = 2.1 × 1023 ион/м2) (а) и 12 циклов облучения (Φ = 8.4 × 1023 ион/м2) (б).

Скачать (50KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изображения поверхности образца пиролитического графита после 24 циклов облучения (Φ = 1.68 × × 1024 ион/м2), полученные по нормали к поверхности при различном увеличении.

Скачать (51KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изображения участка образца после 30 (Φ = 2.05 × 1024 ион/м2) (а) и 39 циклов облучения (Φ = 2.73 × × 1024 ион/м2) (б), полученные под углом 50° к поверхности.

Скачать (48KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Гофры на поверхности волокна, облученного нормально к его оси ионами Ne+ с энергией Е = 30 кэв/ион при Φ > 3,0 × 1022 ион/м2, j ~ 2 × × 1019 ион/м2, Т = 400°C (а) [16]; ионами Не+ с энергией Е = 30 кэВ/ион при Φ > 3,0 × 1022 ион/м2, j ~ 2 × 1019 ион/м2 Т = 400 °С (б) [16];ионами D2+ с энергией Е = 14 кэв/ион при Φ = 7.4 × 1024 ион/м2, j = 1,4 × 1022 ион/м2, Т = 1750 °С (в).

Скачать (62KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Изображения торцов углеродных волокон после облучения ионами D2+ с энергией Е = 14 кэВ при j = 1.4 × 1022 ион/м2с, Φ = 8.4 × 1022 ион/м2, полученное нормально к поверхности (а); при j = 1.4 × 1023 ион/м2с, Φ = 1.4 × 1022 ион/м2, полученное под углом 60° к поверхности (б).

Скачать (29KB)
Метаданные

© Институт физики твердого тела РАН, Российская академия наук, 2025