|
|
|
|
Научные результаты
|
|
Результаты лаборатории комплексных электрофизических исследований |
2021
-
Применительно к технологии создания ТОТЭ исследованы перспективы метода электрофоретического осаждения (ЭФО) наноструктурированных покрытий. В частности, предложен метод сохранения бария при формировании тонкопленочного протонпроводящего электролита BaCe0.89Gd0.1Cu0.01O3-δ за счет использования модифицированного катода La1.7Ba0.3NiO4+δ. Показана эффективность применения BaCO3 в качестве защитной насыпки для сохранения содержания бария в электролите BCGCuO при высокотемпературном спекании. Установлено, что тонкий подслой LBNO (приблизительно 10 мкм) менее эффективен в этом отношении, и при использовании подложки LNFO с подслоем и без него единственным методом предотвращения потери бария в слое электролита является увеличение его толщины выше 20 мкм. Исследованы способы сохранения пористой структуры многослойной катодной подложки (пористость 35-40%, коллекторный слой - до 1 мм и функциональный слой - 5 мкм) при проведении ЭФО и спекания тонкопленочного электролита. Установлено, что в циклическом процессе ЭФО и спекания пленки электролита (толщиной 8 мкм) катодная подложка сохраняет пористую структуру и газопроницаемость необходимые для функционирования ТОТЭ.
-
Проведены сравнительные исследования суспензий порошков ZrO2 – 8 моль% Y2O3 (8YSZ): YSZ_Tosoh (коммерческий порошок фирмы Tosoh, dБЭТ=58 нм) и YSZ_ЛИК (нанопорошок, полученный методом лазерной абляции в ИЭФ УрО РАН, dБЭТ=18 нм). Определено различное влияние ультразвуковой обработки на дисперсный состав суспензий: в суспензиях порошка YSZ_Tosoh, в отличие от нанопорошка YSZ_ЛИК, не происходит разрушения агрегатов. При использовании суспензий нанопорошка YSZ_ЛИК установлена хорошая спекаемость полученных ЭФО слоев на катодных подложках La2NiO4 при температуре 1350°С.
-
По результатам работ по изучению способов формирования слоев твердого электролита на несущем пористом аноде ТОТЭ были исследованы варианты реализации метода ЭФО в условиях непроводящей анодной подложки - прямое осаждение на пористую структуру анода; создание электрической проводимости подложки за счет её восстановления, синтез проводящего полимера – полипиррола, металлизация поверхности. Показана эффективность металлизации поверхности пористой структуры анода нанесением мелкодисперсной платины. Преимуществом данного способа является возможность осуществлять последовательное нанесение слоев электролита с промежуточным спеканием без диффузии платины в нанесенные слои. Было также продемонстрировано, что для получения газоплотной бездефектной пленки электролита SDC требуется более высокая температура спекания, чем та, которая была установлена при дилатометрическом исследовании спрессованного порошка SDC. Впервые предложенный метод металлизации анодов платиной существенно упрощает технологию создания тонких пленок ТОТЭ.
-
В целях создания образцов высокоплотной объемной алюмооксидной керамики было изучено применение электрофоретического осаждения из устойчивых суспензий нанопорошков на основе оксида алюминия. Была сформирована высокоплотная керамика с плотностью 3.93 г/см3 (98.6% от теор.) и микротвердостью 17.7±0.5 ГПа. Установлено, что применение нанопорошка Al2O3, допированного магнием, привело к существенному улучшению спекаемости керамики за счет образования ≈2.5 мас.% шпинели MgAl2O4, что позволило повысить плотность и микротвердость образцов керамики. В результате показана применимость метода ЭФО при создании объемных образцов алюмооксидной керамики. Продемонстрирована практическая реализация метода ЭФО в качестве альтернативы известным технологиям прессования.
-
Развит оригинальный метод броуновской динамики для численного анализа процессов коагуляции наноразмерных суспензий. Теоретически и в рамках компьютерного моделирования проанализирована скорость коагуляции. Предложены аналитические выражения, определяющие скорость стационарной коагуляции наночастиц, взвешенных в растворителе (dna/dt где na — концентрация частиц), и характерное время коагуляции θ=−na/(dna/dt). В отличие от традиционно используемых соотношений полученные выражения позволяют с высокой точностью описывать скорость стационарной коагуляции не только слабых растворов, когда объемное содержание наночастиц ρ≪1%, но и достаточно высоко концентрированных суспензий, при ρ≈1% и выше (ρ=nava, где va — объем одной частицы). Аналитические выражения записаны для случаев трехмерной геометрии, что актуально для работы с реальными растворами, и двухмерной геометрии, что удобно для сопоставления с соответствующими результатами численного моделирования. Компьютерные эксперименты выполнены в рамках двумерного метода стохастической динамики. Продемонстрировано удовлетворительное согласие полученных теоретических выражений с результатами численных расчетов. Проанализированы зависимость времени коагуляции от высоты межчастичного энергетического барьера и от концентрации раствора. Показано, что в отличие от полученных теоретических выражений традиционно используемые соотношения для высоко концентрированных суспензий (ρ≈1%) завышают характерные времена коагуляции более чем на порядок.
-
Исследованы способы повышения стойкости проводящих материалов в сильных импульсных магнитных полях, что представляет собой высоко актуальную проблему для развития магнитно-импульсных способов компактирования нанопорошков. Изучена магнитная диффузия в однородном и неоднородном проводящем материале в плоской геометрии. Модель процесса включала изменение удельного электрического сопротивления при нагреве. Механические напряжения и деформации в проводящем материале рассчитывались на основании законов линейной упругости и критерия пластичности Мизеса. Был введён критерий разрушения, на основе которого изучено влияние основных характеристик материала на его стойкость в сильном магнитном поле. Также были исследованы различные формы профилей начального удельного сопротивления: от плавной экспоненциальной зависимости до предельно резкого ступенчатого профиля. Было выяснено, что поверхностная модификация позволяет увеличить амплитуду неразрушающего магнитного поля на 15-20% по сравнению с однородным материалом.
-
Методом гранулярной динамики исследованы процессы компактирования наноразмерных порошковых систем. Рассчитаны кривые уплотнения «плотность – давление», выделены упругий и пластичный вклады в деформацию, определены упругие модули; проанализирована применимость приближения изотропности. В пространстве инвариантов тензора напряжений построена поверхность нагружения наноразмерного порошка, исследованы границы применимости традиционного ассоциированного закона и предложено альтернативное правило пластического течения с более широкой областью применимости. Исследованы процессы высокоскоростного компактирования. Установлена зависимость давления прессования от скорости деформирования в виде степенного закона с показателем 1/8. Полученная скоростная зависимость использована для интерпретации экспериментальных данных по высокоскоростному магнитно-импульсному прессованию нанопорошков.
-
В рамках изучения динамики генерации импульсных потоков плазмы, электронов и излучения в мощных импульсных электрофизических устройствах разработана теоретическая модель плазмы, учитывающая вклад в концентрацию, вносимый первичными частицами. Показано, что реализация режима с потенциалом плазмы выше потенциала анода возможна лишь при достаточно высокой интенсивности ионизации, превышающей некоторый критический уровень. В экспериментальном плане разработана методика и проведены измерения временной и угловой зависимости интенсивности ионного потока импульсной сильноточной вакуумной дуги с током ≈10 кА в конфигурации коаксиальной открытой электродной системы. Показано, что угол расширения плазменного факела составляет ≈60° и уменьшается при увеличении тока дуги. Полученные значения скоростей ионов 3.9÷27∙106см/с выше по сравнению со скоростями ионов для дугового разряда с током в несколько сот ампер. Процесс расширения плазмы сопровождается формированием интенсивных плазменных всплесков, которые приводят к значительной анизотропии интенсивности потока ионов.
2020
- Применительно к технологии создания ТОТЭ исследованы перспективы метода электрофоретического осаждения (ЭФО) наноструктурированных покрытий. Предложен метод сохранения бария в слое твердого электролита в ходе спекания. Показано, что наличие объемной подложки LBNO и одновременное использование BaCO3 в качестве защитной насыпки может быть эффективным способом сохранения содержания бария в электролите BCGCuO при высокотемпературном спекании. Установлено, что тонкий подслой LBNO (приблизительно 10 мкм) менее эффективен в этом отношении, и при использовании подложки LNFO с подслоем и без него единственным методом предотвращения потери бария в слое электролита является увеличение его толщины выше 20 мкм. Проведены сравнительные исследования суспензий порошков ZrO2 – 8 моль% Y2O3 (8YSZ): YSZ_Tosoh (коммерческий порошок фирмы Tosoh, dБЭТ=58 нм) и YSZ_ЛИК (нанопорошок, полученный методом лазерной абляции в ИЭФ УрО РАН, dБЭТ=18 нм). Определено различное влияние ультразвуковой обработки на дисперсный состав суспензий: в суспензиях порошка YSZ_Tosoh, в отличие от нанопорошка YSZ_ЛИК, не происходит разрушения агрегатов. При использовании суспензий нанопорошка YSZ_ЛИК установлена хорошая спекаемость полученных ЭФО слоев на катодных подложках La2NiO4 при температуре 1350°С.
- Исследованы возможности широко используемого метода лазерной абляции, т.е. испарение вещества лазерным излучением с последующим формированием наночастиц в потоке буферного газа, для получения наноразмерных частиц составов Ce3+:Y2O3, Pr3+:Y2O3, Ce3+:(LaxY1-x)2O3 и Pr3+:(LaxY1-x)2O3. Средний размер наночастиц составил 14÷17 нм. В ходе экспериментов установлено, что уменьшение длительности импульса лазерного излучения волоконного иттербиевого лазера ЛК-1 (фирма «ИРЭ-Полюс») с 100 до 60 мкс приводит к смещению распределения частиц по размерам к более низкому среднему значению и более узкому пику. Были исследованы структурные, морфологические, химические свойства данных составов наночастиц.
- Развит оригинальный метод броуновской динамики для численного анализа процессов коагуляции наноразмерных суспензий. Теоретически и в рамках компьютерного моделирования проанализирована скорость коагуляции. Предложены аналитические выражения, определяющие скорость стационарной коагуляции наночастиц, взвешенных в растворителе (dna /dt где na — концентрация частиц), и характерное время коагуляции θ = -na/(dna /dt). В отличие от традиционно используемых соотношений полученные выражения позволяют с высокой точностью описывать скорость стационарной коагуляции не только слабых растворов, когда объемное содержание наночастиц ρ ≪1%, но и достаточно высоко концентрированных суспензий, при ρ ≈1% и выше (ρ=nava, где va — объем одной частицы). Аналитические выражения записаны для случаев трехмерной геометрии, что актуально для работы с реальными растворами, и двухмерной геометрии, что удобно для сопоставления с соответствующими результатами численного моделирования. Компьютерные эксперименты выполнены в рамках двумерного метода стохастической динамики. Продемонстрировано удовлетворительное согласие полученных теоретических выражений с результатами численных расчетов. Проанализированы зависимость времени коагуляции от высоты межчастичного энергетического барьера и от концентрации раствора. Показано, что в отличие от полученных теоретических выражений традиционно используемые соотношения для высоко концентрированных суспензий (ρ ≈1%) завышают характерные времена коагуляции более чем на порядок.
- В рамках изучения динамики генерации импульсных потоков плазмы, электронов и излучения в мощных импульсных электрофизических устройствах разработана теоретическая модель плазмы, учитывающая вклад в концентрацию, вносимый первичными частицами. Показано, что реализация режима с потенциалом плазмы выше потенциала анода возможна лишь при достаточно высокой интенсивности ионизации, превышающей некоторый критический уровень. В экспериментальном плане разработана методика и проведены измерения временной и угловой зависимости интенсивности ионного потока импульсной сильноточной вакуумной дуги с током ~10 кА в конфигурации коаксиальной открытой электродной системы. Показано, что угол расширения плазменного факела составляет ~60o и уменьшается при увеличении тока дуги. Полученные значения скоростей ионов 3,9÷27∙106 см/с выше по сравнению со скоростями ионов для дугового разряда с током в несколько сот ампер. Процесс расширения плазмы сопровождается формированием интенсивных плазменных всплесков, которые приводят к значительной анизотропии интенсивности потока ионов.
2019
- Применительно к технологии создания ТОТЭ исследованы перспективы метода электрофоретического осаждения (ЭФО) наноструктурированных покрытий. В частности, предложен метод сохранения бария при формировании тонкопленочного протонпроводящего электролита BaCe0.89Gd0.1Cu0.01O3-δ за счет использования модифицированного катода La1.7Ba0.3NiO4+δ. Исследованы способы сохранения пористой структуры многослойной катодной подложки (пористость 35-40%, коллекторный слой - до 1 мм и функциональный слой - 5 мкм) при проведении ЭФО и спекания тонкопленочного электролита. Установлено, что в циклическом процессе ЭФО и спекания пленки электролита (толщиной 8 мкм) катодная подложка сохраняет пористую структуру и газопроницаемость необходимые для функционирования ТОТЭ.
- Методом гранулярной динамики исследованы процессы компактирования наноразмерных порошковых систем. Рассчитаны кривые уплотнения «плотность – давление», выделены упругий и пластичный вклады в деформацию, определены упругие модули; проанализирована применимость приближения изотропности. В пространстве инвариантов тензора напряжений построена поверхность нагружения наноразмерного порошка, исследованы границы применимости традиционного ассоциированного закона и предложено альтернативное правило пластического течения с более широкой областью применимости. Исследованы процессы высокоскоростного компактирования. Установлена зависимость давления прессования от скорости деформирования в виде степенного закона с показателем 1/8. Полученная скоростная зависимость использована для интерпретации экспериментальных данных по высокоскоростному магнитно-импульсному прессованию нанопорошков.
- Теоретически показано, что при высоком процентном содержании первичных электронов генерация плазмы происходит благодаря удержанию ионов в потенциальной яме, создаваемой электронами, а не вследствие накопления вторичных электронов в области горба потенциала, формируемого ионами. На основе экспериментальных данных развиты современные физические подходы к описанию процессов эрозии электродов в килоамперных вакуумных дугах. Исследованы ионные потоки в плазменной пушке специального типа (5-10 кА, 12 мкс) с высоким временным разрешением и эрозионной зависимости электрода от амплитуды импульса тока.
|
|
|
|
