Текст уведомления здесь

Сажа и лазерный обстрел увеличили прочность стали в пять раз

Покрытие стальных изделий наночастицами сажи и последующий обстрел лазерными импульсами сделал их в разы прочнее обычного.
Добавить в закладки
Комментарии

Ученые из Национального исследовательского университета «МЭИ», Красноярского научного центра Сибирского отделения РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) и Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета разработали технологию повышения твердости и износостойкости стали. Обработка поверхности металла наноуглеродными материалами и лазером повысила его твердость в пять с лишним раз в сравнении с наиболее распространенными сортами стали. Соответствующая статья опубликована в Physics of Metals and Metallography.

Российские ученые проверили, как мощность лазерного излучения влияет на твердость поверхности и коэффициент трения стали, в поверхностный слой которой предварительно внесли частицы сажи нанометровых размеров. Наносажу получали в дуговом разряде от графитовых электродов.

Выяснилось, что прочность образца стали становится максимальной после обстрела его поверхности лазерными импульсами в 100—150 джоулей на квадратный сантиметр. Такая плотность энергии в несколько раз больше той, что получает кипящий чайник от нагревающей его газовой конфорки. Большая интенсивность лазерного обстрела плавила поверхность металла, тогда как меньшая не вела к значительному нарастанию его прочности.

Твердость материала после обработки была максимальна в центре зоны воздействия пучка лазера и уменьшалась к краям. Однако такая неоднородность даже увеличила износостойкость поверхности: металлический сплав на основе мягкого основания и жестких включений имел меньший коэффициент трения и за счет этого медленнее изнашивался при интенсивных нагрузках.

Микроструктура поверхности технического железа после лазерной обработки. Изображение: пресс-служба КНЦ СО РАН
Микроструктура поверхности технического железа после лазерной обработки. Изображение: пресс-служба КНЦ СО РАН

После обработки твердость металла, покрытого включениями наноструктурированной сажи, выросла в пять с лишним раз по сравнению с наиболее распространенной технической сталью. Коэффициент трения модифицированного материала (без учета смазки) был на 20—30 процентов ниже стандартного.

Исследователи также модифицировали поверхностный слой фуллеренами, после чего вновь обработали его лазерными импульсами. При этом твердость стали возросла в восемь раз. Однако в силу более высокой стоимости фуллеренов по сравнению с сажей такая сталь будет заметно дороже.

Отдельно отмечается и то, что лазерный обстрел заметно поднимает твердость и устойчивость к износу и при внесении в поверхностной слой других добавок — азота или бора. Плюсом лазерной обработки следует считать то, что она не вызывает деформации стального изделия, поверхность которого упрочняет. Таким образом, не нужна какая-либо дополнительная обработка металла для возврата к заданным размерам. Это заметно удешевляет такой метод повышения прочности по сравнению с традиционными методами термообработки металлов.

Предметы из стали, упрочненной по новой технологии, могут найти широкое применение в машиностроении — везде, где нужны прочные и износостойкие металлические детали, от быстрорежущих резцов для станков до автозапчастей.

Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Наноструктуры МИФИ помогут ускорить электронику

Многослойные структуры из индия и арсенида галлия существенно поднимут скорость работы микросхем.
Добавить в закладки
Комментарии

Исследователи из Национального исследовательского ядерного университета МИФИ и Института физики металлов Сибирского отделения РАН разработали наногетероструктуры, способные повысить быстродействие высокочастотных микросхем. Об этом сообщает пресс-релиз университета.

Гетероструктурой в электронике называют многослойный «бутерброд» из разных полупроводников. Каждый из материалов эффективнее выполняет какие-то одни функции, а их сочетание позволяет получить наилучший результат. Так, при повышении содержания индия в токопроводящем слое можно заметно снизить число электронов в гетероструктуре и при этом поднять скорость их движения (электроны не будут «мешаться» при движении).

Однако слишком сильное увеличение содержание индия приведет к изменению свойств кристаллической решетки содержащего этот металл слоя. Он станет слишком заметно отличаться от соседних слоев. Растущее механическое напряжение между ними сделает структуру уязвимой.

Чтобы решить эту проблему, в МИФИ создали на стыке содержащего индий слоя дополнительную «переходную» прослойку. В ней индия сперва почти нет, а затем его содержание постепенно нарастает почти до ста процентов. За счет этого накопление напряжений на стыке содержащего индий слоя и остальных слоев остается минимальным. «Переходная» прослойка, как и все остальные слои гетероструктуры, выращивается методом эпитаксии — послойным наращиванием кристаллически совершенных полупроводников на «виртуальной подложке». [ ... ]

Читать полностью

В МГУ и Сколтехе разглядели люминесценцию кремниевых нанокристаллов в «золотой клетке»

Этот эффект поможет применить кремниевые наночастицы в оптоэлектронике.
Добавить в закладки
Комментарии

Российские ученые измерили люминесценцию нанокристаллов кремния в зависимости от их диэлектрического окружения, создаваемого «золотой решеткой». Физикам удалось выяснить, какие процессы вносят вклад в люминесценцию, и найти оптимальное расстояние между прутьями «решетки». Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.

Люминесценция — нетепловое свечение вещества после поглощения им энергии возбуждения. Чаще всего встречается явление флуоресценции, когда в качестве возбуждения используют интенсивное световое излучение с определенной длиной волны (лазер). Вещество поглощает энергию лазера и тратит ее на увеличение энергии собственных электронов. В большинстве материалов возбужденные электроны возвращаются в свое первоначальное (основное) состояние, а излишек энергии идет на различные релаксационные процессы. Отличие люминесцирующих материалов в том, что они способны «вернуть» — излучить — часть поглощенной энергии в виде света.

Люминесценция нанокристаллов кремния представляет для ученых особый интерес. Такие кристаллы являются квантовыми точками — частицами с размером, близким к длине волны электрона. Электронный спектр (распределение электронов с разным количеством энергии) квантовой точки представляет собой набор четко разделенных уровней. Поэтому эффективность излучательной рекомбинации — доля энергии, которая не впустую тратится на релаксацию, а идет на люминесценцию, — в них очень высокая. Он гораздо выше, чем для «обычного», крупнокристаллического кремния. Люминесцирующие нанокристаллы кремния применяются в разных оптоэлектрических устройствах (фотодиодах, фоторезисторах, детекторах света и т.д.), а также в медицине, например для обнаружения опухолей.

Ученые из Сколтеха и МГУ им. М.В. Ломоносова решили выяснить, как будут люминесцировать нанокристаллы кремния в зависимости от диэлектрического окружения. Его создавали с помощью проводящей «золотой клетки». Физики разместили слой наночастиц между двумя тонкими пластинками кварца, поверх был нанесен слой прозрачного проводящего стекла ITO (смешанный оксид олова и индия). И, наконец, слой золотых «нанополосок». Расстояние между полосками варьировали — всего было четыре образца с зазорами в 30, 80, 130 и 180 нм. Люминесценцию возбуждали с помощью облучения голубым лазером (325 нм). Все образцы достаточно интенсивно светились в области красного света (700—750 нм). [ ... ]

Читать полностью

Физики научились «выжигать» лазером наночастицы из золотой пены

Новый метод позволит создавать наночастицы с заданными свойствами и формой.
Добавить в закладки
Комментарии

Ученые из Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау и ВНИИ автоматики имени Н.Л. Духова в деталях изучили процесс получения сложных наночастиц с помощью лазера. Теперь с помощью тонкого управления параметрами лазерного воздействия ученые смогут создавать наночастицы с заданной формой и свойствами. До сих пор было неясно, что именно происходит с материалом при обработке лазером. Соответствующая статья принята к публикации в журнале AIP Conference Proceedings, а с ее текстом можно ознакомиться на сервере препринтов Корнелльского университета.

Лазерная абляция — это процесс, при котором поверхность вещества нагревают лазером. Из-за этого часть вещества ионизируется и превращается в плазму, которая отрывается от поверхности основной массы материала и вылетает в пространство экспериментальной камеры. Раньше абляцию использовали лишь для анализа химического состава соединений, но в последнее десятилетие выяснилось, что с ее помощью можно получать наночастицы. Как правило, мишень с целевым соединением при этом помещают в жидкость — так проще «ловить» образующиеся наночастицы.

Метод этот заметно чище (меньше посторонних частиц) и проще обычного химического синтеза, который требует множества промежуточных ступеней: очистки от остатков исходных компонентов реакций, катализаторов и так далее. При лазерной абляции «химии» как таковой нет, значит, и очистка почти не требуется. К тому же мишень можно сделать из двух разных материалов, и тогда на выходе будет получена «сложная» наночастица, что для химического синтеза за один прием нереально. Проблема с абляционным методом является обратной стороной его плюсов. Он простой и быстрый — настолько, что вообще сложно понять, что там происходит до образования пузырька в жидкости и отрыва наночастиц от вещества мишени.

В своей новой работе физики описали, как должны проходить начальные стадии процесса абляции (до появления пузырька), и затем проверили свои выкладки, используя компьютерные модели. Выяснилось, что при наработке золотых наночастиц ультракороткая лазерная вспышка быстро нагревает золото до температуры 10 000 — 20 000 градусов Цельсия, а давление в точке нагрева достигает миллиона атмосфер. [ ... ]

Читать полностью