Transcript Малыхин С.В. Квазикристаллы

Квазикристаллы
Ti-Zr-Ni системы:
синтез, структура и свойства
1
Пугачёв А.Т., Малыхин С.В., Гладких Л.И.,
Борисова С.С.,Решетняк М.В., Савицкий Б.А.
Национальный технический университет
«Харьковский политехнический институт» , 21,
ул. Фрунзе, Харьков, Украина 61002,
Ажажа В.М., Бовда А.М., Лавриненко С.Д., Онищенко Л.В.
Национальный научный центр «Харьковский физикотехнический институт»
Мерисов Б.А., Хаджай Г.Я., Гриб А.Н.
Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Украина
Дуб С.Н.
Институт сверхтвердых материалов НАН Украины, Киев, Украина
H. R. Ott, A. V. Sologubenko
Laboratorium für Festkörperphysik, ETH Hönggerberg, CH-8093
Zürich, Switzerland
2
Квазикристаллы представляют собой новый
класс вещества в твердом состоянии,
который
характеризуется
наличием
дальнего порядка в расположении атомов,
симметрией 5-, 8- или 10-го порядков при
отсутствии трансляционной инвариантности
D. Shechtman, I. Blech, D. Gratias, and J. W. Cahn /
Phys. Rev. Lett. 53 (1984) 1951-1953.
3
ИКОСАЭДРИЧЕСКИЕ КВАЗИКРИСТАЛЛЫ
Tsutomu Ishimasa,
Yasushi
Kaneko
,
Hiroshi
Kaneko.
Division of Applied Physics,
Graduate School of Ingineering,
Hokkaido University, Kita-ku,
Sapporo 060-8628, Japan
(Submitted to J. Non-cryst. Solid)
I.R. Fisher*, M.J. Kramer, A.I. Goldman
Micron 31 (2000) 469–473
4
ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ИНДИЦИРОВАНИЕ QC-ФАЗЫ
И ПАРАМЕТРЫ СТРУКТУРЫ
Q6 D  Qпаралл.  Qперп.
a6 D
Qпаралл. 
Qперп. 
(1,τ,0),
(0,1,τ),
(τ,0,1),
2(2   )
a6 D
2(2   )
 ( N  M )
  ( N  M )
   
(1,-τ,0),
(0,1,-τ),
(-τ,0,1),
Индексы отражений:
(n1, n2, n3, n4, n5, n6) или
(h/h', k/k', l/l')
или
N=2n i2=h2+h’2+k2+k’2+l2+l’2
M=h’+k’+l’+2(hh’+kk’+ll’)
(N,M)
Параметр квазикристалличности
aq 
a6 D
2


4sin 

N  M d

2
1
2
N  M
1 2
5
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Образцы Ti-Zr-Ni сплавов различного состава
в ленточном и массивном состоянии
•Плавление в атмосфере аргона
•Чистота 99,9
•Перемешивание
•Кристаллизация в охлаждаемой
изложнице
ННЦ «ХФТИ»
6
механические
свойства
Модуль Юнга
Нанотвердость
Микротвердость
Механизм
пластической
деформации
структура
состав
макроструктура
электронный
транспорт
субструктура
r(T)
сверхпроводимость
сорбция
водорода
Стимулированное
изменение фазового
состава, структуры,
свойств
Фазовый состав,
параметры
структуры
диффузия
водорода
Параметры
диффузии
остаточные
напряжения
Размер ОКР,
микродеформац
ии, плотность
дислокаций
Распределение
по толщине
7
40
60
80
2, degrees.
(92,148)
100
(136,220)
(124,200)
(106,169)
130
(102,165)
120
(72,116)
(52,84)
110
(38,61)
(40,64)
100
(28,44)
90
(20,32)
80
(004)L
70
(104, 168)
(92, 148)
(66, 105)
(72, 116)
60
(18,29)
50
(110)L
40
(12,16)
30
(56, 58)
a-Ti(Zr)
Intensity (arbitrary)
20
(38, 61)
(40, 64)
(12, 16)
(52, 84)
(20, 32)
(18, 29)
интенсивность, отн.ед.
РЕНТГЕНОВСКАЯ ДИФРАКТОМЕТРИЯ ЛЕНТОЧНЫХ ОБРАЗЦОВ
Ti53Zr33Ni14 ; V= 30 м/с
140
2, град.
Ti45Zr38Ni17 ; V=25 м/c.
120
8
20
40
60
2Q, град
80
(72,116)
100
(136,220)
(120,192)
(124,200)
(102,165)
(104,168)
(92,148)
(82,129)
(68,108)
(36,56)
(26,41)
(28,44)
(12,16)
(6,9)
(20,32)
(18,29)
(20,32)
(18,29)
(52,84)
интенсивность, отн.ед.
РЕНТГЕНОВСКАЯ ДИФРАКТОМЕТРИЯ ЛЕНТОЧНЫХ ОБРАЗЦОВ
Ti41,5Zr41,5Ni17 ; V= 10; 15 ; 19,5; 25 м/с
120
9
160
ОКР, нм
140
Е, ГПа
120
100
3
1,8
80
*10
1,7
5,200
5,205
5,210
5,215
5,220
параметр aq*10, нм
5,225
1,6
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
5,200 5,205 5,210 5,215 5,220 5,225
параметр aq*10, нм
10
Остаточные напряжения в лентах
free side
contacting side
V=25 m/s
5.206
0.5220
0.5215
aq, 10 нм
V=19.5 m/s
5.204
-1
aq, nm
0.5225
0.5210
V=15 m/s
0.5205
V=10 m/s
0.5200
5.202
5.200
5.198
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
2
sin y
2
sin y
200
5.225
free side
5.215
-1
100
5.220
aq0, 10 nm
s, MPa
free side
0
contacting side
-100
5.210
5.205
contacting side
5.200
10
15
20
ribbon velocity,m/s
25
10
15
20
ribbon velocity,m/s
25 11
Накопление водорода
D(T)=D0exp(-U/kT)
U=0.21 эВ
D0 = 9 10-6 м2/с
5.135
5.133
5.130
5.128
5.125
5.123
5.120
5.118
5.115
5.113
5.110
Quasilattice Constant
aq, 10 nm
5,55
5,50
5,45
5,40
5,35
5,30
5,25
5,20
5,15
0,0
0
1
2
R/R, %
0,5
1,0
1,5
2,0
H/Me
3
Viano A.M. et. al./ Philmag A, 1998,
Vol. 78, No.1, 131-141
12
Фазовые и субструктурные изменения при
насыщении водородом
Ti41,5Zr41,5Ni17
(2)
0.0
0.05
0.10
0.15
0.20
Hydrogen/metal atomic ratio H/M
H/M=0.05
initial state
32
34
36
38
2q , deg.
40
42
44
coherence length L , nm
H/M=0.12
80
70
60
(1)
(2)
0.25
3.0
2.5
2.0
50
1.5
40
1.0
30
0.5
13
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
Hydrogen/metal atomic ratio H/M
3
0.00
(004) L
(201) L
-0.4
(112) L
(20,32) i -QC
(18,29) i -QC
(103) L
bulc sample
(110) L
Intensity, arb.units.
Ti45Zr38Ni17
(1)
micro-strains *10
b/b
0.4
Температурный ход электросопротивления
Сверхпроводимость
T 
q 
r (T )  r 0  c3     J 3*  
q 
T 
3
J (q / T  
*
n
q /T
 (e
a
x ne x
x

1
2
dx
V=19,5 m s
1.0
-1
V=25 m s
-1
1,00
1
19,5 м/с
0.8
1,01
R/R(4.2 K)
r(T)/r(4.2)
q=310…400 К
0.6
25 м/с
0.4
0.2
10
100
T, K
0.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
T, K
14
XRD- изучение теплофизических свойств
Ti41,5Zr41,5Ni17 квазикристаллов
2nd fold axis
aq*10, nm
5,204
[0 0 0 ]
0 0 2
(72,116) reflection
5,202
5th fold axis
5,200
[0 1 0 ]
0 0 1
5,198
(136,220) reflection
5,196
a
aq
T

100 150 200 250 300
T, K
1
aq
a=(8,0±0,5)10-6 К-1
(136, 220)
Intensity, a.u.
50
4
3
2
1
2
U = 4.210-4 nm2
ln
IT1
IT2
12h 2  ( x1 )  ( x2 ) sin 2 

[

] 2
m kQ D
x1
x2

118
119
120
121
2, degrees
QД =340±10 К
15
Механические свойства Ti-Zr-Ni квазикристаллов
контактное давление, ГПa
Nano Indenter-II, MTS Systems Corporation (Oak Ridge, TN, USA)
first cycle
QC
кристалл
7
6
5
0
second cycle
0
10
20
30
40
50
60
70
относительное перемещение, %
10
300
400
Displacement, nm
500
Load, nm
Load, nm
20
8
12
10
340
350
360
Displacement, nm
370
16
0.03
0.02
0.01
Ti45Zr38Ni17 25 m/s
Ti53Zr27Ni20 30 m/s
Ti53Zr27Ni20
5
10
15
20
Load, mN
W+12%Ta
20 m/s
I
-1
Ti41,5Zr71,5Ni17
0.05
Strain Rate (s )
0.04
Strain Rate, s
-1
Изучение характера деформирования квазикристаллов
II
0.04
0.03
2
0.02
0.01
0.00
1
0
5
10
15
20
25
Load (mN)
17
Изменение структурного и напряженного
состояния при облучении
Облучение е-+р+ , Е=50…200 кэВ, I=0.01…20 мкА
0,5210
aq, нм
2
0,5205
0,5200
1
0,5195
L, нм
70
60
50
40
3
*10
1,5
2
1
1
1,0
2
0,5
0
2
4
6
8 10 12 14
-16
-2
D*10 , см
0
2
4
6 8 10 12 14 16
-16
-2
D*10 , см
18
Изменение структурного и напряженного
состояния при облучении
b, мрад
ВУФ-облучение, hν10 эВ
10.0
7.5
5.0
-s, МПа
30
20
10
аq0, нм
0.5206
0.5205
0
5
10
15 , час
19
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
20