РОЗДІЛ 2
ОБЛАДНАННЯ ТА МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕННЯ
2.1. Характеристика композиційних матеріалів та методики їх експериментального дослідження
Основними матеріалами дослідження вибрані дрібнодисперсні порошки оксидів заліза, зразки боридів титану, кобальту, лантану, гафнію, композиційні матеріали на основі п?єзокераміки ЦТС-19 та ЦТС-83, наплавний сплав карбід бору - (Ti-Ni-Mo) зв?язка.
Зразки порошків боридів стехіометричного складу TiB2, CoB, Co3B, Ni2B, HfB2, LaB6 досліджувалися після тривалого (більше півроку) зберігання. Ставилась задача дослідження домішкового складу боридів, оскільки домішки мають суттєвий вплив на їх фізико-хімічні властивості.
Композиційний матеріал на основі карбіду бору (табл.2.1) є досить перспективним, оскільки має унікальний комплекс фізичних властивостей. Відомо, що при 600оС В4С починає окислюватись на повітрі, а при 1200-1700оС - розкладатись та вступати в реакцію з металами IV-VI груп з утворенням карбідів та боридів [123, 124]. Відомості про вихідні елементи, які входять до складу композиції В4С- (Ti-Ni-Mo) наведені в табл. 2.2.
Таблиця 2.1
Склад вихідної шихти для композиційного матеріалу
В4С - (Ti-Ni-Mo) [125, 126]
ЕлементПроцентний вміст, % (мас.)В4С27-28Ti40-50Ni12-25Мо6-8С и В0,5-3
Композиційний матеріал є неоднорідним: величина зерен компонентів різниться майже на два порядки. Тому вирішувалася проблема розширення можливостей ЛМСА використанням динамічної фотореєстрації мас-спектрів.
Зразки композиційних матеріалів на основі п?єзокераміки отримані методом дифузійного зварювання в плазмі тліючого розряду. Склад п?єзокераміки ЦТС-19: 64,74% PbO; 20,56%ZrO2; 11,47% TiO2; 0,97% Nb2O5; 2,26% SrCO3. Сублімація свинцю при термообробці в процесі виробництва кераміки зумовлює зміну стехіометричного складу, що впливає на властивості КМ. Істотними факторами при цьому є температура, час відпалу, об?єм виробу. Для отримання необхідної стехіометрії кераміки перед відпалом у склад компонентів з надлишком водився PbO.
Таблиця 2.2
Характеристика вихідних компонентів, які входять до складу композиції В4С -(Ti-Ni-Mo)
ЕлементЧистота,
%Величина зерна
Код фірми виробникаВ4С99,6гранули
150-300 мкмФірма " Leco"Ti99,5150Ti006020
Goodfellow GmbHNi99,92Ni006040
Goodfellow GmbHMo99,92Mo006020
Goodfellow GmbHB99,6150B006011
Goodfellow GmbHCграфітовий порошокфірма "Leco"
Для дослідження вищезазначених матеріалів використовувалися такі прилади: енергомас-аналізатор лазерний ЕМАЛ-2, дифрактометр рентгенівський ДРОН-3М, растровий електронний мікроскоп РЕМ-100У, інтерференційний мікроскоп МІІ-4.
Для виявлення характеру взаємодії лазерного випромінювання з поверхнею тугоплавких порошкових матеріалів найбільш придатним є метод електронно-зондового аналізу. Дослідження поверхні зразків виконувалися на растровому електронному мікроскопі з хвильовою дисперсією, який є одним із сучасних методів аналізу структури та елементного складу.
Фізичні принципи взаємодії електронних пучків з матеріалами (режими вторинних електронів та характеристичного рентгенівського випромінювання) покладені в основу даного методу аналізу. За допомогою цих режимів можна визначити топографію та елементний склад речовини в місці падіння електронного пучка.
Однією з важливих характеристик РЕМ є збільшення, яке при незмінному розмірі екрану електронно-променевої трубки (ЕПТ) (наприклад, 10) дозволяє змінювати область сканування (табл. 2.3).
Таблиця 2.3
Характеристика зображень кратерів при лазерній дії на поверхню КМ при дослідженні на РЕМ 100-У
Збільшення Область сканування Роздільна здатність, мкм х10 1 см2 10 х100 1 мм2 1 х1000 100 мкм2 0,1 х10000 10 мкм2 0,01 х100000 1 мкм2 0,001
Найважливішою характеристикою РЕМ з аналітичної точки зору є область взаємодії, яка залежить від атомного номера елемента, енергії та кута нахилу пучка. Ця характеристика зумовлена пружним розсіянням електронів на поверхні матеріалу. Розраховується вона за методом Монте-Карло (тип зіткнення та величина розсіяння визначаються випадковими числами).
При збільшенні кута нахилу об?єкта до пучка електронів область взаємодії з поверхнею зразка стає меншою, що веде до збільшення кількості електронів безпосередньо після співудару. З розрахунків за методом Монте-Карло наближено глибина проникнення електронів нормально до поверхні складає:
R(?)= RKO cos? (2.1)
де RKO - довжина пробігу по Канайе - Окаяме із рівняння
RKO =0,0276АЕ01,67/Z0.289?, мкм, (2.2)
де Е0 - кеВ, А - г/моль, ?- г/мм2, Z - атомний номер мішені.
В основу елементного мікроаналізу в РЕМ покладені процеси, що зумовлені утворенням вторинних електронів, характеристичного рентгенівського випромінювання, гальмівного випромінювання та катодолюмінисценцією.
Для правильності кількісного аналізу розраховуються: фактор поглинання А (енергія електронів пучка Е0, кут виходу рентгенівського випромінювання та масовий коефіцієнт поглинання), фактор атомного номера Z (відбиття та гальмування електронів в залежності від атомного номера мішені); поправки на флюоресценцію за рахунок характеристичного випромінювання F (вторинна флюоресценція); поправки на флюоресценцію за рахунок неперервного рентгенівського випромінювання. Крім врахування ZAF-поправок при мікроаналізі необхідно вводити поправки на "геометричні ефекти" поверхні зразка, які поділяються на дві групи: масовий ефект та ефект поглинання.
Фазовий аналіз композиційних матеріалів до та після лазерної дії проводиться на дифрактометрі рентгенівському ДРОН-3М з фокусуванням по Бреггу-Брентано від плоского зразка.
Через багатофазність матеріалів, враховуючи відповідність кожній фазі певного набору дифракційних максимумів, на дифрактограмі спостерігаються дифракційні спектри всіх фаз. При ідентифікації фаз необхідно