Сопоставление физических и физико-химических свойств аморфных металлических покрытий, получаемых электрохимическим осаждением и альтернативными (физическими) методами - НИР | ИСТИНА – Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных

Руководитель НИР: Фишгойт Л.А.
Участники НИР: Абрамычева Н.Л., Долов М.С., Дунаев С.Ф., Казанков А.Ю., Князев А.В., Лобзов П.Ю., Сафонов В.А., Чернавский П.А.
Подразделение: Кафедра общей химии
Срок исполнения: 1 января 2015 г. - 31 декабря 2017 г.
Номер договора (контракта, соглашения): 15-03-05927
Номер ЦИТИС: 115012770041
Тип: Фундаментальная
Приоритетное направление научных исследований: Функциональные материалы, наноматериалы и технологии
ПН России: Индустрия наносистем
Рубрики ГРНТИ:
- 31.01.01 Руководящие материалы по химии
Ключевые слова: триада железа, металлоиды металлоиды, электроосаждение, нанопокрытия
Описание:
В рамках фундаментальной проблемы, связанной с установлением корреляции состава и структуры многокомпонентных сплавов системы металл-металлоид с их физическими и физико - химическими свойствами, в предлагаемом проекте ставится конкретная задача: приготовить электрохимическим осаждением и альтернативными физическими методами (магнетронным напылением, спиннингованием, высокоэнергетической обработкой поверхности материала) близкие по составу тонкопленочные аморфные покрытия на основе хрома и металлов триады железа с участием металлоидов и установить закономерности влияния метода получения покрытий на особенности их химического состава, структурное состояние, коррозионно- защитные, электрофизические (в том числе, магнитные) и другие свойства. Существенное место в планируемых исследованиях будет отведено сопоставлению указанных выше характеристик, наблюдаемых у исходных образцов и тех же образцов после их отжига в вакууме (или инертной атмосфере). Проведенные таким образом сопоставления, дополненные сопоставлением коррозионно-защитных и электрофизических свойств покрытий, получаемых принципиальноб разными методами, позволит существенно расширить наши представления о роли металлоидов и их химического состояния в формировании аморфных (нанокристаллических) металлов и сплавов. Эти результаты могут представлять интерес не только для фундаментальной, но и для прикладной науки.
Abstract:
In the fundamental problems associated with the establishment of the correlation of composition and structure of multicomponent alloys metal-metalloid with their physical and chemical properties, the proposed project is a specific task: to prepare by electrochemical deposition and alternative physical methods (magnetron sputtering,melt spinning, high-energy surface treatment of the material) similar compositions of amorphous thin film coatings based on chromium and metals of the iron triad involving metalloids and to establish regularities of the influence of the method of obtaining coatings on the peculiarities of their chemical composition, structural condition, corrosion protection, electrical (including magnetic) and other properties. A significant place in the planned research will be devoted to mapping the above-mentioned characteristics observed in the initial samples and the same samples after their annealing in vacuum (or inert atmosphere). Conducted in such a way mapping, supplemented by a comparison of the corrosion protective and electrical properties of the coatings obtained of different methods, will significantly expand our understanding of the role of the metalloids and their chemical state in the formation of amorphous (nanocrystalline) metals and alloys. These results can be of interest not only for fundamental but also for applied science.
Планируемые результаты:
В качестве ожидаемых научных результатов планируется впервые получить, обработать и обобщить экспериментальные данные, которые позволят установить и обосновать корреляции состава и структуры многокомпонентных сплавов системы металл-металлоид, формируемых электрохимическими и альтернативными методами, с их физическими и физико-химическими свойствами. К концу 2015 г. мы планируем получить следующие научные результаты: 1. Будут разработаны и освоены электрохимические методики приготовления аморфных (нанокристаллических) бинарных, трех- и четырехкомпонентных сплавов заданного состава на основе металлов триады железа и хрома с различными металлоидами (подбор состава электролита, плотности тока, времени осаждения). 2. Будут определены выходы по току процесса электрохимического осаждения исследуемых сплавов с учетом реакции выделения водорода и формирования в осадках соединений металл-металлоид (карбиды, фосфиды и т.д.). 3. Будут освоены и практически реализованы описанные выше неэлектрохимические (альтернативные) методики приготовления сплавов тех же составов. 4. С помощью описанных выше (см. п. 4.3.) методов будет проведено охарактеризование фазового состава и структуры серий получаемых образцов. 5. Будут начаты исследования коррозионно-защитных, электрокаталитических и электрофизических свойств аморфных (нанокристаллических) покрытий, приготовленных разными методами.
Научный задел:
В коллективе имеется определенный научный задел для успешного выполнения заявленного проекта, поскольку данная задача является естественным развитием наших предыдущих оригинальных работ, в которых изучались состав и структура получаемых электрохимическим осаждением хромовых и никелевых покрытий. В ходе этих исследований с использованием одного из вариантов метода рентгеновской абсорбционной спектроскопии (“valence-to-core” XES), выполненных в Европейском центре синхротронных исследований (ESRF, Гренобль, Франция) впервые было установлено, что при осаждении хрома из Cr(III) электролитов с добавками различных органических веществ, и никеля из Ni(II) электролитов, содержащих гипофосфит-ионы, формируются нанокристаллические покрытия, в состав которых входят углерод и фосфор, соответственно. Фосфидные или карбидные соединения в сплавах формируются в ходе электроосаждения, а не при отжиге. В процессе же отжига размер кристаллитов (зерен) увеличивается, и методом РФА фиксируются соответствующие пики на рентгенограммах. Предварительные результаты исследования магнитных свойств синтезированных электроосажденных сплавов показали, что коэрцитивная сила исходных и отожженных покрытий существенно различаются, что может свидетельствовать о том, что получаемые исходные покрытия по своим характеристикам отличаются от отожженных. Выяснение причин наблюдаемых различий представляет очевидный научный и практический интерес. Суммируя сказанное выше, можно высказать вполне обоснованное предположение, что тот научный задел, который был накоплен в коллективе за прошлые годы, предлагаемые оригинальные подходы и методы исследований будут эффективно использованы для решения новой задачи, поставленной в проекте.
Добавил в систему: Фишгойт Лариса Александровна

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

#	Сроки	Название
1	1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г.	Сопоставление физических и физико-химических свойств аморфных металлических покрытий, получаемых электрохимическим осаждением и альтернативными (физическими) методами
Результаты этапа: Запланированные исследования выполнены полностью. Проведен синтез образцов сплавов системы металлов триады железа и различных металлоидов методом электрохимического осаждения и альтернативными металлургическими методами. Проведена аттестация состава и структуры полученных сплавов. Методом valence-to-core определено ковалентное состояние фосфора в полученных соединениях. Данные исследования проводились в центре синхротронных исследований в Гренобле (Франция).
2	1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г.	Сопоставление физических и физико-химических свойств аморфных металлических покрытий, получаемых электрохимическим осаждением и альтернативными (физическими) методами
Результаты этапа: В соответствие с перечнем исследований, запланированных в 2016 году, были применены методики, разработанные на предыдущем этапе выполнения задач гранта, синтеза двух -, трех- и четырехкомпонентных сплавов металлов триады железа, а также хрома с различными металлоидами, методом электрохимического осаждения из растворов. Проведена идентификация фазовых переходов электроосажденных сплавов методом дифференциально термического анализа. Исследование магнитных свойств системы Ni-P совместно с дифференциальным термическим анализом показало, что исходные электроосажденные сплавы становятся парамагнитными при содержании в них фосфора более 12 ат.%, что связано с отсутствием возможности реализации обменного взаимодействия из-за флуктуаций химического состава и образования сетки из парамагнитных обогащенных фосфором областей. Рассчитан выход по току процесса электроосаждения с учетом реакции выделения водорода. Показано, что при увеличении концентрации иона никеля (II) в растворе, содержание никеля в сплаве увеличивается линейно, при совместном осаждении с кобальтом и железом, фактическая скорость электровосстановления ионов железа(II) и кобальта(II) выше, чем скорость электровосстановления ионов никеля(II), что и предопределяет обогащение осаждаемого сплава более электроотрицательными компонентами. Определен состав электролита, а также состав сплава, выход по току процесса осаждения которого является максимальным для данных условий и составляет 86 %. Синтезирована серия сплавов системы Fe-Ni-P из растворов с различной концентрацией ионов железа(II). Элементный состав полученных сплавов по результатам двух независимых методов спектральных различается в пределах ошибки эксперимента. Проведена оценка фазового состава сплава состава Fe 51 ат.%, Ni 40 ат.%, P 9 ат.% до и после отжига. Показано, что исходный сплав рентгеноаморфный, а после отжига в нем идентифицированы две фазы: Fe3Ni и Fe2NiP. Данные о содержании хрома и карбида хрома Cr3C2 в исходных образцах сплавов сиcтемы и тех же образцах после из отжига при 500оС, получены на основании анализа valence-to-core спектров. Показано, что после отжига содержание карбидов в образцах (и, соответственно, количество ковалентно связанного углерода) несколько увеличивается. Данный факт, вероятно, указывает на то, что в состав исходного покрытия входит определенное количество элементного (свободного) углерода и при отжиге за счет этого углерода, по-видимому, формируется дополнительное (порядка 2 – 5 ат. %) количество карбида хрома. Начаты коррозионные исследования сплавов на основе металлов триады железа, хрома и металлоидов, полученных альтернативным - металлургическим способом, а именно, высокоуглеродистую сталь, легированную хромом и никелем. Установлено, что сталь со структурой, представляющей собой чередующиеся строчки бейнита и феррита, имеет более высокую коррозионную стойкость, чем сталь того же химического состава, но с феррито-перлитной структурой. Показано, что способом повышения коррозионной стойкости является оптимизация химического состава стали – снижение содержания углерода, повышение содержания хрома и никеля и меди.
3	1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г.	Сопоставление физических и физико-химических свойств аморфных металлических покрытий, получаемых электрохимическим осаждением и альтернативными (физическими) методами
Результаты этапа: В рамках фундаментальной проблемы, связанной с установлением корреляции состава и структуры многокомпонентных сплавов системы металл-металлоид с их физическими и физико-химическими свойствами, в проекте была приготовлена серия сплавов электрохимическим осаждением и альтернативными физическими методами - магнетронным напылением и спиннингованием. Установлены состав и структура синтезированных указанными методами сплавов, представляющих собой тонкопленочные аморфные покрытия на основе хрома и металлов триады железа с участием металлоидов. Проведена идентификация фазовых переходов электроосажденных сплавов методом дифференциального термического анализа. Установлены закономерности влияния метода получения покрытий на особенности их химического состава и структурное состояние. Исследованы магнитные свойства двухкомпонентных сплавов системы Ni-P, полученных методом электрохимического осаждения, установлены закономерности зависимостей коэрцитивной силы и условной намагниченности от состава и структуры сплава. Существенное место в наших исследованиях было отведено сопоставлению указанных выше характеристик, наблюдаемых у исходных образцов и тех же образцов после их отжига в вакууме при температуре пятьсот градусов Цельсия. Установлено, что коэрцитивная сила и условная намагниченность возрастают у отожженных образцов по сравнению с исходными, т.е. магнитные свойства становятся более выраженными, в то время, как точка Кюри у термообработанных и исходных образцов отличается в пределах ошибки эксперимента и близка к точке Кюри чистого никеля. Данный факт можно объяснить псевдоаморфной структурой исходных образцов. Исследование магнитных свойств системы Ni-P совместно с дифференциальным термическим анализом показало, что исходные электроосажденные сплавы становятся парамагнитными при содержании в них фосфора более 12 ат.%, что связано с отсутствием возможности реализации обменного взаимодействия из-за флуктуаций химического состава и образования сетки из парамагнитных обогащенных фосфором областей. Трехкомпонентные сплавы систем Ni-Co-P, Co-Fe-P и Ni-Fe-P исследовались методом рентгеновской эмиссионной спектроскопии (XES, вариант valence-to-core) в Европейском центре синхротронных исследований (ESRF) в Гренобле (Франция). Показано, что количество фосфора, ковалентно связанного с металлами, не изменяется при термообработке, т.е. в сплаве отсутствует свободный фосфор и фазовый состав исходных и отожженных образцов практически идентичен. Полученные результаты представляют очевидную новизну и являются важными не только для фундаментальной, но и для прикладной науки. Рассчитан выход по току процесса электроосаждения с учетом реакции выделения водорода. Показано, что при увеличении концентрации иона никеля (II) в растворе, содержание никеля в сплаве увеличивается линейно, при совместном осаждении с кобальтом и железом, фактическая скорость электровосстановления ионов железа(II) и кобальта(II) выше, чем скорость электровосстановления ионов никеля(II), что и предопределяет обогащение осаждаемого сплава более электроотрицательными компонентами. Определен состав электролита, а также состав сплава, выход по току процесса осаждения которого является максимальным для данных условий и составляет 86 %. Данные о содержании хрома и карбида хрома Cr3C2 исходных образцов сплавов системы Cr-C, полученных магнетронным напылением, и тех же образцов после из отжига при 500оС, получены на основании анализа valence-to-core спектров. Показано, что после отжига содержание карбидов в образцах (и, соответственно, количество ковалентно связанного углерода) несколько увеличивается. Данный факт, вероятно, указывает на то, что в состав исходного покрытия входит определенное количество элементного (свободного) углерода и при отжиге за счет этого углерода, по-видимому, формируется дополнительное (порядка 2 – 5 ат. %) количество карбида хрома.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".