Влияние давления и электрического поля на динамику синтеза микро- и наночастиц при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов на поверхность материала в жидких и газовых средах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат наук Кочуев Дмитрий Андреевич

• Кочуев Дмитрий Андреевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Кочуев Дмитрий Андреевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. МЕТОДЫ СИНТЕЗА МИКРО- И НАНОМАТЕРИАЛОВ, ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛИ С ВЕЩЕСТВОМ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

1.1.1 Механические методы синтеза порошковых материалов

1.1.2 Электронно-плазменные методы синтеза порошковых материалов

1.1.3. Методы лазерного диспергирования материалов

1.2. Взаимодействие фемто- и субпикосекундных лазерных импульсов с веществом

1.2.1 Механизмы перераспределения энергии ЛИ в среде

1.2.2. Процессы, при абляции материалов фемто- и субпикосекундными лазерными импульсами

1.2.3 Пассивирование поверхности ультрадисперсных титановых порошков и обработанной поверхности

1.2.4. Взаимодействие ЛИ с жидкой средой

1.3. Постановка задач проведения экспериментального исследования

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

Глава II. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ТИТАНОМ В ЖИДКИХ И ГАЗОВЫХ СРЕДАХ ПРИ РАЗЛИЧНОМ ДАВЛЕНИИ

2.1. Разработка методики проведения экспериментов и экспериментального стенда лазерного синтеза порошковых материалов

2.1.1. Описание используемого оборудования и материалов

2.1.2. Методика проведения экспериментов

2.2. Исследование влияния скорости сканирования ЛИ и изменения давления на и динамику абляции титана при облучении ультракороткими лазерными импульсами

2.2.1. Исследование воздействия лазерных импульсов с энергией ~1 мДж на поверхность титана в среде н-гексана при различной скорости сканирования

2.2.2. Исследование воздействия лазерных импульсов с энергией ~ 100 мкДж на поверхность титана в среде н-гексана при различном давлении и скорости сканирования

2.2.3. Абляционная обработка поверхности титана в газовой среде аргона и парах н-гексана

2.3. Анализ обработанной поверхности и продуктов лазерной абляции

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

Глава III. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СУБПИКОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ

ИМПУЛЬСОВ С АРГОНОМ ПРИ ДАВЛЕНИИ 1 - 25 БАР

2

3.1. Исследование характеристик лазерно- индуцированной плазмы при пробое аргона в зависимости от давления

3.1.1. Измерение пространственных характеристик и яркости свечения лазерно-

индуцированной плазмы в среде аргона при давлении 1-25 бар

3.1.3. Измерение температуры ЛИПК в среде Аг (аргона) при давлении 1-25 бар пирометрическим методом

3.1.5. Измерение температуры ЛИПК методом анализа спектров излучения

3.1.6. Оценка проводимости ЛИПК в среде аргона при давлении 1-25 бар

3.2. Исследование характера взаимодействия ультракоротких лазерных импульсов с жидким н-

гексаном при различном давлении

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

Глава IV. СИНТЕЗ НАНОМАТЕРИАЛОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

4.1. Разработка экспериментальной установки для комбинированной обработки материалов с использованием ИПВР управляемым ЛИПК, совместно с электростатическим удалением продуктов абляции из области обработки при различном давлении

4.2. Динамическая локализация электрического дугового разряда лазерно- индуцированным плазменным каналом

4.3. Исследование эффективности комбинированной абляционной обработки материалов лазерным излучением совместно с электростатическим полем в среде аргона и паров н-гексана

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ IV

Заключение по диссертационной работе

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена исследованию процессов взаимодействия лазерного излучения (ЛИ) с материалами в жидких и газовых средах, проблемам распространения ЛИ в средах при различном давлении. Работа направлена на решение ряда практических задач лазерной обработки материалов, в частности поиска эффективных методов стимуляции эрозионного воздействия ЛИ на поверхность материалов и синтеза наночастиц узкого фракционного состава.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние давления и электрического поля на динамику синтеза микро- и наночастиц при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов на поверхность материала в жидких и газовых средах»

Актуальность проблемы

Эффективным методом получения материалов с заданными свойствами является применения нанопорошков. Сферические нанопорошки используются в качестве сырья для синтеза новых материалов в направлениях оптики, фотоники и биомедицинских применений. Например, для изготовления высококачественной оптической керамики требуется монодисперсный материал с характерным размером сфер в десятки и сотни нанометров. В частном случае полученные по керамической технологии из порошков полуторные оксиды используются для изготовления активных элементов твердотельных лазеров и магнитоактивных элементов и магнитоактивной керамики. При решении задач диагностики и лечения онкологических заболеваний применяют светочувствительные, магнитные и комбинированные наночастицы. Поэтому развитие методов синтеза сферических наноматериалов является актуальной задачей современных исследований.

Основным методом синтеза сферических наноразмерных порошков является лазерная абляция. Использование лазерного излучения позволяет получать сферические микро- и наночастицы, свойства которых зависят от условий воздействия из различных материалов. В процессе лазерной абляции создаются условия, при которых возможно получение материалов в метастабильном состоянии, синтез которых недоступен при других условиях. Применение лазерных систем с субпикосекундной длительностью импульса позволяет передавать энергию световой волны среде за времена существенно меньшие характерных длительностей релаксационных процессов. Такой механизм воздействия позволяет синтезировать чистые наноматериалы, наночастицы сложных сплавов, композитов, холодных растворов, в том числе оболочечные частицы из широкого круга материалов. Получение таких материалов возможно, как при абляции исходных образцов, содержащих необходимые компоненты, так и при их обработке в активных газовых или жидких средах. Пассивирование поверхности позволяет предотвратить коагуляцию продуктов абляции. Рабочие среды служат для сбора наночастиц, выноса аблированного материала из области воздействия и протекания химических реакций. Параметры рабочей среды также влияют на фракционный состав наночастиц.

Лазерная абляция материалов в среде представляет собой сложный физический процесс, зависящий от параметров лазерного излучения, свойств рабочей среды, дополнительных источников физического воздействия.

Дополнительным источником воздействия может быть, как тепловая нагрузка, вызванная действием лазерно-индуцированного плазменного факела, образующегося над обрабатываемой поверхностью, так и энергия, приложенная к области обработки совместно с лазерным лучом. Комбинирование различных методов воздействия позволяет добиться синергетического эффекта, и, как следствие, повышения эффективности операции абляции. Эффективными методами комбинированного воздействия в задачах лазерной обработки материалов является использование электрического поля. Электрическое поле может способствовать удалению продуктов абляции из области распространения лазерного луча, либо для формирования электрической дуги, стабилизируемой лазерно-индуцированным плазменным каналом (ЛИПК), образующемуся при прохождении через среду интенсивных субпикосекундных лазерных импульсов в области каустики лазерного луча. В диссертационной работе рассмотрены процессы, протекающие при взаимодействии лазерного излучения с обрабатываемым материалом и средой, в которой осуществляется обработка. Проведена оценка влияния различных факторов на процесс абляционной обработки и получаемые продукты лазерной абляции. Решена практическая задача повышения эффективности лазерной абляции материалов путем совместного применения методов физического воздействия, обеспечивающих возможность получения фракции наноматериалов заданной дисперсности.

Цели и задачи исследования

Целью настоящей диссертации является исследование физических процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом, приводящего к синтезу микро- и наночастиц материалов и микроструктурированных покрытий под действием лазерных импульсов при различном давлении среды в сосуде где происходила обработка. Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач:

I. Провести анализ современных исследований в рамках направлений лазерного синтеза микро- и наночастиц, протекающих процессов, методов интенсификации процесса абляции.

II. Разработать экспериментальную установку для проведения работ по исследованию процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом в различных средах, а также синергетического эффекта комбинированного воздействия лазерного луча и электрического поля.

III. Провести исследования продуктов абляции и поверхностных структур, образующихся в результате воздействия лазерных импульсов на поверхности материалов при различных режимах обработки.

IV. Изучить характер взаимодействия лазерного излучения со средой, оценить влияние среды на свойства лазерного луча и результат воздействия на материал.

V. Изучить влияние совокупного воздействия лазерных импульсов в электрическом поле при различной конфигурации электродов.

Научная новизна работы

Проведен комплекс исследований взаимодействия лазерного излучения с различными материалами в среде н-гексана (в жидкой среде, в присутствии паров) и аргона. Исследовано взаимодействие лазерного излучения непосредственно со средой, в которой осуществляется обработка. Показаны результаты комбинированной обработки материалов в электрическом поле. Получены 2 патента на изобретения, 4 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

При выполнении диссертационной работы впервые получены следующие результаты:

• Впервые показано, что при воздействии фемтосекундного лазерного излучения на поверхность титана в среде жидкого н-гексана можно получить микроструктурированный слой карбида титана (патент RU 2603751).

• Впервые показано, что в процессе лазерной абляции титана в среде жидкого н-гексана возможно получать высокодисперсные сферические гранулы титана узкого гранулометрического состава с содержанием карбида титана (патент RU 2688001).

• Показана возможность управления дисперсностью размеров сферических нанопорошков и периодом микро- и наноструктур образующихся при воздействии лазерных импульсов на поверхность титана в жидком н-гексане и газообразном аргоне за счет изменения давления среды в рабочем сосуде.

• Показано, что, повышение интенсивности эрозионного воздействия может быть достигнуто путем динамической локализации импульсно-периодического высоковольтного разряда (ИПВР) с помощью ЛИПК на обрабатываемой поверхности.

• Показано, что наличие электростатического поля при лазерной абляционной обработке материалов способствует удалению продуктов абляции из области распространения лазерного луча и приводит к повышению производительности абляции, получению продуктов абляции более узкого фракционного состава.

Научная и практическая значимость работы

Результаты исследований применимы: для создания микро- и нанопорошков сферической формы из широкого спектра материалов; для формирования микроструктурированных покрытий на поверхности различных материалов, обладающих антифрикционными, коррозионностойкими, гидрофильными или гидрофобными свойствами. Высокая локализация воздействия обеспечивает получение сферических частиц узкого гранулометрического состава. Полученные порошковые материалы могут быть использованы, например, в медицинских приложениях, в коллоидной химии, при создании оптической керамики, и т.д.

Результаты, полученные при выполнении диссертационного исследования, были положены в основу государственных заданий ВлГУ (задание в сфере научной деятельности №3.5531.2017/БЧ, № темы FZUN-2020-015), грантов РФФИ №16-42330651, №16-32-00760 и №14-02-97508. Разработанные в рамках диссертационной работы экспериментальные установки использовались в организации учебного процесса при проведении лабораторных и практических работ в ВлГУ.

Основные положения, выносимые на защиту

I. Воздействие фемтосекундного лазерного излучения на поверхность титана в среде н-гексана позволяет сформировать микроструктурированный слой карбида титана и сферических гранул титана с содержанием карбида титана (патенты на изобретения № RU 2603751 и № RU 2688001).

II. Установлена зависимость дисперсности сферических наночастиц и периода получаемых лазерно-индуцированных поверхностно-периодических структур (ЛИППС) при обработке лазерными импульсами субпикосекундной длительности от давления газа в сосуде, при атмосферном давлении дисперсность наночастиц 250 - 40 нм при давлении 25 бар 50 - 20 нм, период ЛИППС при атмосферном давлении 0.8 мкм, при 25 барах 0.2 мкм.

III. Повышение эффективности эрозионного воздействия по сравнению с методом электродугового распыления материалов заключается в локализации энергии электрического разряда в области воздействия, что достигается совместным действием импульсно-периодического высоковольтного разряда, локализованного лазерно-индуцированным плазменным каналом.

IV. Повышение производительности синтеза сферических наночастиц оксида алюминия на 70%, титана на 85% и уменьшение размеров частиц фракции оксида алюминия с 10 - 40 нм до 10 - 30 нм, титана с 10 - 60 нм до 10 - 30 нм по сравнению с лазерной абляционной обработкой, за счет выноса продуктов абляции под действием электростатического поля из области распространения лазерного луча в межимпульсный промежуток времени при совместном воздействии с субпикосекунднми лазерными импульсами.

Личный вклад автора

Положения, выносимые на защиту, научные результаты, представленные в рамках диссертационной работы получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор принимал участие в постановке задач исследования, подготовке и проведении экспериментальных работ, обработке и анализе всех представленных в работе результатов.

Апробация работы

Результаты диссертационного исследования были представлены на следующих всероссийских и международных конференциях: Международная конференция по современным нанотехнологиям и нанофотонике для науки и промышленности (г.Суздаль, 2018, 2017, 2016); International Conference «Laser Optics» (г.Санкт Петербург, 2018, 2016, 2014); XIII Международные чтения по квантовой оптике IWQ0-2019 (г.Владимир, 2019г.), III Междисциплинарный молодежный научный форум с международным участием «Новые материалы» (г.Москва, 2019, 2018, 2017); Международная научно-техническая конференция

«Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении» (г.Севастополь, 2019, 2018), Международная научно-техническая конференция «Пром-Инжиниринг» (г.Сочи, 2019; Москва, 2018), VIII Международной молодежной научной школе-конференции «Современные проблемы физики и технологий» (г.Москва, апрель 2019 г.), Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛаПлаз (г.Москва, 2019, 2018), IX Международная конференция «Лучевые технологии и применение лазеров» (г.Санкт-Петербург, 2018г.); XXVI Annual International Laser Physics Workshop «LPHYS'17» (г.Казань, 2017); X Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов - 2016» (г.Москва, 2016г.); XII Международная научная конференция Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» ФРЭМЭ'2016 (г.Суздаль, 2016г.); Квантовая физика ВлГУ, ПТСПИ-2019 (г.Владимир, 2019г.).

Публикации по теме работы.

Результаты диссертационного исследования отражены в 37 работах, опубликованных в рецензируемых научных изданиях: 4 работы представлены в журналах^ входящих в перечень ВАК; 11 работ - в журналах, состоящих в базах данных Web of Science и Scopus, 14 тезисов в сборниках трудов международных и всероссийских конференций. Получены 3 патента на изобретения и 5 свидетельств о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Основные работы по результатам диссертации:

1. Кочуев Д. А., Галкин А.Ф., Вознесенская А.А., Хорьков К.С., Чкалов Р.В. Исследование свойств лазерно-индуцированных плазменных каналов, образованных фемтосекундным лазерным излучением // Краткие сообщения по физике Физического института им. П.Н. Лебедева РАН. 2020. Т. 47. №. 2.

2. Кочуев Д.А., Хорьков К.С., Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Прокошев В.Г. Формирование карбида титана под действием фемтосекундных лазерных импульсов в среде жидкого углеводорода// Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2018. № 12. С. 81-85.

3. Чкалов Р.В., Хорьков К.С., Кочуев Д.А., Прокошев В.Г., Аракелян С.М. КОМПЛЕКС Фемтосекундной лазерной микрообработки: техническая конфигурация, программное управление и примеры применения// Приборы и техника эксперимента. 2018. № 5. С. 153-154.

4. Хорьков К.С., Абрамов В.Д., Кочуев Д.А., Башкиров Е.Р., Черников А.С., Аракелян С.М., Прокошев В.Г. Лазерное фемтосекундное наноструктурирование поверхности вольфрама// Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2017. Т. 81. № 12. С. 1619-1623.

5. Kochuev D.A. et al. Laser-Induced Spatially Periodic Structures on the Titanium Surface in n-Hexane at Different Pressures //Technical Physics Letters. - 2020. - V. 46. - №. 8. - p. 779-782.

6. Arakelyan S.M., Zhirnova S.V., Galkin A.F., Kochuev D.A., et al. The temperature characteristics of plasma induced by femtosecond laser radiation // EPJ Web of Conferences, V. 220, 2019. p. 03034.

7. Kochuev D.A., et al. Laser radiation impact on a solid surface and formation of micro- and nanostructures // EPJ Web of Conferences, V. 220, 2019. p. 01010.

8. Kochuev D.A. Formation of powder materials under the combined influence of pulse laser radiation and electric arc discharge // EPJ Web of Conferences, V. 220, 2019. p. 03019.

9. Kochuev D.A., et al. Titanium-Carbide Formation in a Liquid Hydrocarbon Medium by Femtosecond Laser Irradiation // Journal of Surface Investigation, 2018.12(6), p. 1220-1223.

10. Kochuev D.A., et al. Laser ablation of materials by femtosecond laser pulses in liquid media // Proceedings - International Conference Laser Optics 2018, ICLO 2018, 2018, 8435807, p. 335.

11. Tarasova M.A., Khorkov K.S., Kochuev D.A., et al. Study of the Filamentation Phenomenon of Femtosecond Laser Radiation // Bulletin of the Lebedev Physics Institute, 2018, V.45(8), p.246-250.

12. Kochuev D.A., et al. Formation of microspheres under the action of femtosecond laser radiation on titanium samples in hydrocarbons // Journal of Physics: Conference Series, 2018, V.951(1), p.012015.

13. Khorkov K.S., Kochuev D.A., Chernikov A.S., et al. Processing materials in the mode of multiple filamentation of femtosecond laser radiation // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2017, V.81(12), p. 1438-1441.

14. Khorkov K.S., Abramov D.V., Kochuev D.A., et al. Femtosecond laser nanostructuring of a tungsten surface // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2017, V.81(12), p. 1429-1432.

15. Kochuev D.A., et al. Manufacturing of draw plates for textile industry // Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Seriya Teknologiya Tekstil'noi Promyshlennosti, 2016-January(5), p. 105-108.

Патенты на изобретения:

1. Вознесенская А.А., Иващенко А.В., Кочуев Д.А., и др. Способ получения титановых микросфер узкого гранулометрического состава с содержанием карбида титана // Патент на изобретение № 2688001 17.05.2019.

2. Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Кочуев Д.А., и др. Способ получения покрытия из микроструктурированного карбида титана на поверхности изделия из титана или титанового сплава с использованием лазерного излучения // Патент на изобретение № 2603751 07.11.2016.

3. Абрамов Д.В., Кочуев Д.А., Маков С.А., и др. Способ формирования микроструктурированного слоя нитрида титана // Патент на изобретение №2522919 21.05.2014.

Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ:

1. Кочуев Д.А., Васильченкова Д.Г. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ СЛАБЫХ СИГНАЛОВ // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2020614950 05.06.2020.

2. Васильченкова Д.Г., Кочуев Д.А., Чкалов Р.В. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕМПЕРАТУР ЭЛЕКТРОННОГО ГАЗА // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2019619053 09.07.2019.

3. Чкалов Р.В., Хорьков К.С., Кочуев Д.А., Прокошев В.Г. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ КОНФИГУРИРОВАНИЯ ОЕМ-ДРАЙВЕРА СУПЕРЛЮМИНИСЦЕНТНЫХ И ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2018663365 25.10.2018

4. Чкалов Р.В., Лоханов А.В., Хорьков К.С., Кочуев Д.А. ПРОГРАММА ОБЕСПЕЧЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2017613881 03.04.2017.

5. Шамин П.Ю., Кочуев Д.А. ПЕРЕХОДНАЯ БИБЛИОТЕКА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ STANDA С КОНТРОЛЛЕРАМИ 8SMC1-USBHF ИЗ ПРИЛОЖЕНИЙ НА ПЛАТФОРМЕ MICROSOFT.NET // СВИДЕТЕЛЬСТВО О РЕГИСТРАЦИИ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ №2015619968 18.09.2015.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на 133 страницах, содержит введение, 4 оригинальных главы, заключение, список литературы, включающий в себя 120 наименований, и приложения. В работу включен графический материал, состоящий из 65 рисунков и 4 таблицы.

Глава I. МЕТОДЫ СИНТЕЗА МИКРО- И НАНОМАТЕРИАЛОВ, ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

Целью главы является исследование эффективных методов синтеза и физических процессов, протекающих при синтезе микро- и наночастиц материалов сферической формы под действием ЛИ.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: I. Изучены методы синтеза и свойства получаемых микро- и нано материалов. II. Изучены характер взаимодействия ультракоротких лазерных импульсов с

веществом; механизмы поглощения и диссипации энергии в средах. III. Разработаны методики проведения экспериментальных исследований физических процессов, протекающих при фемтосекундной лазерной абляции материала мишени при различных условиях.

1.1. Методы синтеза микро- и нано частиц различных материалов.

В настоящее время большой практический интерес представляют методы синтеза различных элементов, где сырьем служат ультрадисперсные материалы. Используемые микро- и нанопорошки должны отвечать высоким требованиям по гладкости поверхности, форме частицы, объемной плотности. Частицы должны иметь максимальную насыпную плотность, обладать высокой текучестью [17]. Проблема актуальна для синтеза металлических и неметаллических порошков. Технологии обработки микро- и нанопорошков занимают особое место, так как позволяют получать изделия сложных форм при достаточно высокой производительности, низкой энергоемкостью процесса синтеза, получения материалов, обладающих уникальными свойствами для изделий различного назначения. Номенклатура создаваемых элементов достаточно широка: от оптических компонентов до функциональных узлов двигателей [18]. Несмотря на

это, существует необходимость создания новых материалов, материалов с «программируемыми свойствами» [19]. Требуется создавать материалы, в том числе керамические, механическая обработка которых на данный момент технологически затруднена, либо является ресурсоемкаой. Следует заметить, что наиболее широкое применение находят высокочистые слабо агломерированные наноматериалы. Нанопорошки активно применяются для создания топливных элементов, каталитических систем [20], синтеза высокопрозрачных лазерных керамик [21, 22], в медицине в качестве фотосенсибилизирующих агентов при борьбе с онкологическими заболеваниями, в качестве различных маркеров [23].

Методы эффективного получения микро- и нанопорошков материалов зависят от требований к производительности, от материала, от конечного назначения продукта. Распространенными являются: метод механического размола, пожалуй, является наиболее производительным, методы химического, газофазного осаждения и магнетронного распылением несколько уступают в производительности, но имеют ряд преимуществ по чистоте и качеству получаемых материалов. В методах высокотемпературного распыления можно выделить газо-плазменное распыление и электродуговое распыление материалов. Достаточно новым методом является метод лазерного распыления материалов, так же обладающий конкурентными свойствами. Далее подробно рассмотрена каждая группа методов.

1.1.1 Механические методы синтеза порошковых материалов

Механические методы - это методы, при которых измельчается исходный материал под действием внешних воздействий (дробление, размол, резание, в том числе распыление расплавленного материала). Характерный размер частиц составляет порядка 20-400 мкм. Данный метод характеризуется невысокой стоимостью получаемых порошков и высокой производительностью. Однако получаемый продукт обладает существенным разбросом размеров гранул, частицы порошков имеют случайную форму, а также содержит в себе большое количество примесей и газовых полостей. Синтез нанопорошков этим методом является очень

трудоемким. Данные негативные стороны ограничивают области применения материалов, полученных данным методом.

Существуют комбинированные методы синтеза порошковых материалов, представленный в работе [24]. Метод синтеза высокотемпературного композиционного порошкового материала (ПМ) осуществляют путем механического легирования. Процесс проводят в высокоэнергетической установке для размола и смешивания в защитной атмосфере. После проведения данного цикла обработки получают порошки, частицы которых имеют осколочную форму -рисунок 1а. Далее следует цикл - сферодизации гранул, обработка частиц порошка в потоке термической плазмы электродугового разряда. Данный метод способствует повышению качества поверхности и формы гранул, тем не менее требует дополнительных энергетических затрат.

Рисунок 1 - РЭМ-изображения гранул: а - порошок осколочной формы, б - частицы после сфероидизации [24].

1.1.2 Электронно-плазменные методы синтеза порошковых материалов

В данной группе методов диспергирование материала осуществляется в результате воздействия плазмы, образованной в результате электрического взрыва проводника (ЭВП). В работе [25] подробно рассмотрены свойства нанопорошков карбидов вольфрама, титана, алюминия, полученных методом ЭВП в газовых и жидких углеводородных средах. В объеме камеры перед началом работы создается вакуум, после чего заполняется рабочим газом. В качестве газовой среды были использованы такие газы, как: ацетилен, аргон, а также пропан и аргон. Газовые среды могут использоваться для образования химической связи металла с

углеродом. Возможно использование жидких сред (гексан, бензол, толуол и декан). В качестве образцов использовались проволоки из вольфрама, титана, тантала и алюминия с диаметром от 0.2 до 0.5 мм, длиной от 50 до 120 мм. Порошки карбида вольфрама, полученные при ЭВП в газообразных углеводородах, состояли из частиц сферической формы с диаметром от 0.01 до 2 мкм, имеющих гладкую поверхность, представленную на рисунке 2А. В работах [26, 27] описан метод по синтезу нанопорошков меди аналогичным образом. В результате взрыва образуются гранулы порошка, которые охлаждаются и переносятся при помощи потока газа. Далее они поступают в фильтрационный модуль, после чего происходит их сбор в накопителе. Полученные порошки имеют сферичную форму частиц, представленную на рисунке 2Б. В представленных работах установлено, что размер частиц, получаемых нанопорошков зависит от энергии, давлении в рабочем сосуде и среды. Уменьшение размеров наночастиц достигается путем уменьшения энергии при ЭВП, авторы установили, что увеличение давления приводит увеличению размеров, получаемых наноматериалов, что не совпадает с данными представленными в работе [28]. Расхождения вызваны различием в механизмах разрушения материала. При ЭВП, увеличение давления способствует увеличению теплоемкости системы (увеличивается количество вещества в области протекания процесса), что приводит к коагуляции продуктов, образующихся при взрыве. При лазерном воздействии повышение давления угнетает развитие лазерного эрозионного факела, как следствие приводит к уменьшению размеров частиц.

Рисунок 2 - Микрофотографии продуктов ЭВП: А - вольфрамовых проводников в ацетилен-аргоновой среде [25], Б - Гранулы порошка, полученные методом

ЭВП[19].

Метод ЭВП является эффективным для синтеза металлических микро- и нанопорошков высокого качества, исходя из условий: производительность, стоимость продукта, качество ПМ. Путем оптимизации технологического режима возможно получение наноматериалов с незначительной дисперсностью размеров частиц.

К плазменному методу также относятся методы газоплазменного диспергирования материалов. Характерным является способ непрерывного получения металлического порошка путем оплавления торца литой заготовки плазменной струей. В работе [29] описано центробежное распыление расплава, образованного в результате воздействия газоплазменной струи на обрабатываемый материал. Полученные частицы охлаждают в газе. Метод позволяет получить металлические порошки с размером частиц до 140 мкм. Аналогичным образом описан процесс получения металлических порошков из жаропрочных никелевых сплавов в работе [30], с размером частиц, не превышающим 50 мкм.

В работе [31] представлено восстановление и модификация оксидов металлов вольфрама, ванадия в низкотемпературной плазме. Данный способ является эффективным методом получения гомогенной шихты из наноразмерных компонентов, чего невозможно добиться путем классического механического помола необходимых компонентов. В качестве газовой реакционной среды -источника углерода использовался пропан или метан. Для предотвращения разрастания карбидных зерен использовались ингибиторы, в виде ванадия и тантала вводимые в плазму. Обработка осуществлялась в 2 этапа: первый - насыщение углеродом, второй - заключается в термической обработке при различных температурах. Совокупность подходов позволила получать нанопорошки карбида вольфрама с фракцией 5-20 нм. Фазовое состояние и изображение, полученное с помощью электронного микроскопа, представлено на рисунке 3.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кочуев Дмитрий Андреевич, 2021 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Bykovsky N. E. et al. Study of active media on nano-and microparticles of solid-state laser materials //2018 International Conference Laser Optics (ICLO). -IEEE. - 2018. - P. 27-27,

2. Popov A. A. et al. Femtosecond laser-ablative synthesis of plasmonic Au and TiN nanoparticles for biomedical applications //Synthesis and Photonics of Nanoscale Materials XVI. - International Society for Optics and Photonics. - 2019.

- V. 10907. - P. 1090708

3. Ivanov M. et al. Sintering and optical quality of highly transparent yb-doped yttrium lanthanum oxide ceramics //physica status solidi c. - 2013. - V. 10. - №. 6.

- p. 940-944.

4. Yang G. W. Laser ablation in liquids: Applications in the synthesis of nanocrystals //Progress in Materials Science. - 2007. - V. 52. - №. 4. - P. 648-698.

5. Amans D. et al. Nanodiamond synthesis by pulsed laser ablation in liquids //Diamond and Related Materials. - 2009. - V. 18. - №. 2-3. - P. 177-180.

6. Бармина Е. В. и др. Генерация наноструктур при лазерной абляции металлов в жидкостях: новые результаты //Квантовая электроника. - 2010. - Т. 40. - №. 11. - С. 1012-1020.

7. Гордон Е. Б. и др. Стабильность микронных сфер, образующихся при импульсной лазерной абляции металлов в сверхтекучем гелии и воде //Химия высоких энергий. - 2014. - Т. 48. - №. 3. - С. 245-245.

8. Osipov V. V. et al. Fabrication and characterization of IR-transparent Fe2+ doped MgAl2O4 ceramics //Journal of the American Ceramic Society. - 2019. - V. 102. - №. 8. - P. 4757-4764.

9. Тарасенко Н. В., Буцень А. В. Лазерный синтез и модификация композитных наночастиц в жидкостях //Квантовая электроника. - 2010. - Т. 40. - №. 11. - С. 986-1003.

10. Васильев С. В., Иванов А. Ю. Влияние электрического поля на приповерхностные процессы при лазерной обработке металлов //Квантовая электроника. - 2012. - Т. 42. - №. 2. - С. 170-174.,

11. Freitag C. et al. Residual heat generated during laser processing of CFRP with picosecond laser pulses //Advanced Optical Technologies. - 2018. - Т. 7. - №. 3. -С. 157-163.

12. Любимов В. В., Козырь Д. В., Гнидина И. В. Исследование возможности использования проводящих плазменных каналов в качестве электродов-

инструментов при электроэрозионной обработке //Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2015. - №. 10.

13. Byeon J. H. et al. Collection of submicron particles by an electrostatic precipitator using a dielectric barrier discharge //Journal of aerosol science. - 2006. - V. 37. - №. 11. - P. 1618-1628.

14. Huang S. H., Chen C. C. Filtration characteristics of a miniature electrostatic precipitator //Aerosol Science & Technology. - 2001. - V. 35. - №. 4. - P. 792-804.

15. Wu S. et al. Control of the plume induced during high-power fiber laser welding with a transverse arc //Laser Physics Letters. - 2015. - V. 12. - №. 4. - P. 046006.

16. Ribic B., Palmer T. A., DebRoy T. Problems and issues in laser-arc hybrid welding //International materials reviews. - 2009. - V. 54. - №. 4. - P. 223-244.

17. Довбыш В. М., Забеднов П. В., Зленко М. А. Аддитивные технологии и изделия из металла //Библиотечка литейщика. - 2014. - №. 9. - С. 14-71.

18. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технологии аддитивного производства //М.: Техносфера. - 2016. - 646 с.

19. Bandyopadhyay A., Heer B. Additive manufacturing of multi-material structures //Materials Science and Engineering: R: Reports. - 2018. - V. 129. - P. 1-16.

20. Minh N.Q., Takahashi T. Science and technology of ceramic // Amsterdam: Elsevier science B. V. - 1995. - 366 p.

21. Ikesue A. et al. Fabrication and optical properties of high-performance polycrystalline Nd: YAG ceramics for solid-state lasers //Journal of the American Ceramic Society. - 1995. - V. 78. - №. 4. - P. 1033-1040.

22. Yagi H. et al. Characterizations and laser performances of highly transparent Nd3+: Y3Al5O12 laser ceramics //Optical Materials. - 2007. - V. 29. - №. 10. - P. 1258-1262.

23. Kargina Y. V. et al. Silicon Nanoparticles Prepared by Plasma-Assisted Ablative Synthesis: Physical Properties and Potential Biomedical Applications //physica status solidi (a). - 2019. - V. 216. - №. 14. - P. 1800897.

24. Родионов А.И., Ефимочкин И.Ю., Буякина А.А., Летников М.Н. Сфероидизация металлических порошков (обзор) // Авиационные материалы и технологии. - №S1(4). - 2016. - С.60-64.

25. Ильин А.П. Особенности физико-химических свойств нанопорошков и

наноматериалов: учебное пособие / А.П. Ильин, А.В. Мостовщиков, А.В. Коршунов, Л.О. Роот; Томский политехнический университет. - 2-е изд., испр. и доп. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2017. - 212 с.

26. Жантуаров Р. С., Пустовалов А. В., Кайралиева Т. Г. Свойства нанопорошков меди, полученных методом электровзрыва проводников // Национальный исследовательский Томский политехнический университет. -2014. - С. 936-938.

27. Лыков П.А. Разработка гидропневмоагрегатов машин по производству микропорошков из жидких металлов//Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Челябинск. - 2013. - 147 с.

28. Stauss S. et al. Pulsed laser ablation in high-pressure gases, pressurized liquids and supercritical fluids: Generation, fundamental characteristics and applications. -InTechOpen, 2016.

29. Способ получения металлического порошка методом центробежного распыления: пат. 2475336 РФ: МПК B22F9/06, B22F9/10 / Старовойтенко Е. И., заявитель и патентообладатель: Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС"), N 2011138304/02, заявл. 19.09.2011, опубл.: 19.09.2011, Бюл. № 5.

30. Способ получения сферических порошков и гранул: пат. 2361698 РФ: МПК B22 9/08, B22F 9/10 / Давыдов А. К., Миронов В.И., Кононов С. А., Казённов В.К., Фаткуллин О.Х., Каринский В.Н., Куцын В.И., заявитель и патентообладатель: Открытое Акционерное Общество "Ступинская металлургическая компания", N 2008110117/02, заявл. 19.03.2008, опубл. 20.07.2009, Бюл. № 20.

31. Исаева Н. В. и др. Получение нанопорошков карбидов и твердосплавных смесей с применением низкотемпературной плазмы //Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2015. - №. 3. - С. 714.

32. Eliezer S. et al. Synthesis of nanoparticles with femtosecond laser pulses //Physical Review B. - 2004. - V. 69. - №. 14. - P. 144119.

33. Sylvestre J. P. et al. Femtosecond laser ablation of gold in water: influence of the laser-produced plasma on the nanoparticle size distribution //Applied Physics A. - 2005. - V. 80. - №. 4. - P. 753-758.

34. Reinholdt A. et al. Novel nanoparticle matter: ZrN-nanoparticles //Applied Physics B. - 2003. - V. 77. - №. 6-7. - P. 681-686.

35. Johnston G. P. et al. Reactive laser ablation synthesis of nanosize alumina powder //Journal of the American Ceramic Society. - 1992. - V. 75. - №. 12. - P. 3293-3298.

36. Snytnikov V. N. et al. Production of nanomaterials by vaporizing ceramic targets irradiated by a moderate-power continuous-wave CO 2 laser //Journal of applied mechanics and technical physics. - 2007. - V. 48. - №. 2. - P. 292-302.

37. Müller E. et al. Characterization of nanocrystalline oxide powders prepared by CO2 laser evaporation //KONA Powder and Particle Journal. - 1995. - V. 13. -P. 79-90.

38. Kabashin A. V., Meunier M. Synthesis of colloidal nanoparticles during femtosecond laser ablation of gold in water //Journal of Applied Physics. - 2003. -V. 94. - №. 12. - P. 7941-7943.

39. Reinholdt A. et al. Novel nanoparticle matter: ZrN-nanoparticles //Applied Physics B. - 2003. - V. 77. - №. 6-7. - P. 681-686.

40. Johnston G. P. et al. Reactive laser ablation synthesis of nanosize aluminum nitride //Journal of the American Ceramic Society. - 1992. - V. 75. - №. 12. - P. 3465-3468.

41. Снытников В. Н. и др. Получение наноматериалов путем испарения керамических мишеней излучением непрерывного CO 2-лазера умеренной мощности //Прикладная механика и техническая физика. - 2007. - Т. 48. - №. 2. - С. 172-184.

42. Popp U. et al. Properties of nanocrystalline ceramic powders prepared by laser evaporation and recondensation //Journal of the European Ceramic Society. - 1998. - V. 18. - №. 9. - P. 1153-1160.

43. Котов Ю. А. и др. Исследование характеристик оксидных нанопорошков, получаемых при испарении мишени импульсно-периодическим CO2 лазером //Журнал технической физики. - 2002. - Т. 72. -№. 11. - С. 76-82.

44. Osipov, V. V., Kotov, Y. A., Ivanov, M. G., Samatov et al. Laser synthesis of nanopowders //Laser physics. - 2006. - V. 16. - №. 1. - P. 116-125.

45. Котов Ю. А. и др. Характеристики нанопорошков, получаемых при испарении CeO2/Gd2O3 мишеней излучением импульсно-периодического CO2 лазера //Журнал технической физики. - 2004. - Т. 74. - №. 3. - С. 72-77.

46. Иванов М. и др. Синтез нанопорошков мощным излучением волоконно-иттербиевого лазера //Фотоника. - 2009. - №. 3. - С. 18-21.

47. Способ изготовления металлических порошков: пат. РФ № 2604743: МПК B23K26/00, B22F9/06. / М.И. Звонарев, Ю.Н. Кульчин, Е.П. Субботин; заявитель и патентообладатель: Фед. гос. автономное образоват. учреждение высшего проф. обр. "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ), № 2015124387/02, заявл. 24.06.2015, опубл.10.12.2016, Бюл. № 34.

48. Способ изготовления металлических порошков: см. Патент РФ № 2604079 МКП B23K26/00, B22F9/06 / Кульчин Ю.Н., Субботин Е. П., Звонарев М.И., заявитель и патентообладатель: Фед. гос. автономное образоват. учреждение высшего проф. обр. "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ), N 2015124386/02, заявл. 24.06.2015, опубл.10.12.2016, Бюл. № 34.

49. Лещик С. Д., Зноско, К. Ф., Калугин, Ю. К. Исследование частиц, генерированных лазерной абляцией твердых тел в жидкости. // Вестник Брестского государственного технического университета. Серия: Машиностроение. - 2014. - № 4. - С. 6-10.

50. Kochuev, D. A., Khorkov, K. S., Ivashchenko, A. V., Prokoshev, V. G., Arakelian, S. M. Formation of microspheres under the action of femtosecond laser radiation on titanium samples in hydrocarbons //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2018. - V. 951. - №. 1. - P. 012015.

51. Ионин А.А., Кудряшов С. И., Самохин А.А. Абляция поверхности материалов под действием ультракоротких лазерных импульсов // Успехи физических наук. - 2017. - Т. 187. - №2. - С. 159.

52. Ashitkov S. I. et al. Formation of nanocavities in the surface layer of an aluminum target irradiated by a femtosecond laser pulse //JETP letters. - 2012. - V. 95. - №. 4. - P. 176-181.

53. De Giacomo A. et al. Cavitation dynamics of laser ablation of bulk and wire-shaped metals in water during nanoparticles production //Physical Chemistry Chemical Physics. - 2013. - V. 15. - №. 9. - P. 3083-3092.

54. Бураков В. С., Буцень А. В., Тарасенко Н. В. Спектроскопическая диагностика двухимпульсной лазерно-абляционной плазмы в жидкости для оптимизации процесса синтеза наночастиц //Весщ Нацыянальнай акадэмп навук Беларуш. Серыя фiзiка-матэматычных навук. - 2015. - №. 3. - С. 98-103.

55. Талала К. А., Лейви А. Я., Яловец А. П. Анализ механизмов жидкофазного массопереноса вещества при плазменной обработке твердого тела //Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математика. Механика. Физика. - 2012. - №. 34. - С. 186-190.

56. Bulgakova N. M et al. Charging and plasma effects under ultrashort pulsed laser ablation //High-Power Laser Ablation VII. - International Society for Optics and Photonics, 2008. - V. 7005. - P. 70050C.

57. Kononenko T. V., et al. Heat accumulation effects in short-pulse multi-pass cutting of carbon fiber reinforced plastics //Journal of Applied Physics. - 2015. - V. 118. - №. 10. - P. 103105.

58. Bulgakova N., et al. Impacts of ambient and ablation plasmas on short-and ultrashort-pulse laser processing of surfaces //Micromachines. - 2014. - V. 5. - №. 4. - P. 1344-1372.

59. Waag F. et al. Synthesis of gold, platinum, and gold-platinum alloy nanoparticle colloids with high-power megahertz-repetition-rate lasers: the importance of the beam guidance method //Applied Nanoscience. - 2021. - C. 1-10.

60. König J., Nolte S., Tünnermann A. Plasma evolution during metal ablation with ultrashort laser pulses //Optics Express. - 2005. - V. 13. - №. 26. - P. 1059710607.

61. Kochuev D. A., Khorkov, K. S., Abramov, D. V., Arakelian, S. M., Prokoshev, V. G. Titanium-Carbide Formation in a Liquid Hydrocarbon Medium by Femtosecond Laser Irradiation //Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. - 2018. - V. 12. - №. 6. - P. 1220-1223.

62. Ivanov M., Kopylov Y., Kravchenko V., Zayats S. Sintering and Optical Quality of Highly Transparent Yb Doped Yttrium Lanthanum Oxide Ceramics // Phys. Status Solidi C. - 2013. V. 10. - № 6. - P. 940-944.

63. De Giacomo A. et al. Cavitation dynamics of laser ablation of bulk and wire-shaped metals in water during nanoparticles production //Physical Chemistry Chemical Physics. - 2013. - V. 15. - №. 9. - P. 3083-3092.

64. Fujimoto J. G. et al. Femtosecond laser interaction with metallic tungsten and nonequilibrium electron and lattice temperatures //Physical Review Letters. - 1984.

- V. 53. - №. 19. - P. 1837.

65. Ang L. K., Pant M. Generalized model for ultrafast laser induced electron emission from a metal tip a //Physics of Plasmas. - 2013. - V. 20. - №. 5. - P. 056705.

66. Bulgakova N. M. et al. Electronic transport and consequences for material removal in ultrafast pulsed laser ablation of materials //Physical Review B. - 2004.

- V. 69. - №. 5. - P. 054102.

67. Ionin A. A. et al. Electron dynamics and prompt ablation of aluminum surface excited by intense femtosecond laser pulse //Applied Physics A. - 2014. - V. 117. -№. 4. - P. 1757-1763.

68. Ionin A. A. et al. Ultrafast electron dynamics of material surfaces under the action of femtosecond laser pulses //Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. - 2016. - V. 80. - №. 4. - P. 450-454.

69. Ancona A. et al. High speed laser drilling of metals using a high repetition rate, high average power ultrafast fiber CPA system //Optics express. - 2008. - V. 16. - №. 12. - P. 8958-8968.

70. Ancona A. et al. Femtosecond and picosecond laser drilling of metals at high repetition rates and average powers //Optics letters. - 2009. - V. 34. - №. 21. - P. 3304-3306.

71. Doring S. et al. Hole formation process in ultrashort pulse laser percussion drilling //Physics Procedia. - 2013. - V. 41. - P. 431-440.

72. Finger J., Reininghaus M. Effect of pulse-to-pulse interactions on ultra-short pulse laser drilling of steel with repetition rates up to 10 MHz //Optics express. -2014. - V. 22. - №. 15. - P. 18790-18799.

73. Kononenko T. V. et al. Influence of pulse repetition rate on percussion drilling of Ti-based alloy by picosecond laser pulses //Optics and Lasers in Engineering. -

2018. - V. 103. - P. 65-70.

74. Ильин А. П., Назаренко О. Б., Тихонов Д. В. Синтез карбидов металлов электрическим взрывом проводников //Вестник науки Сибири. - 2012. - № 3 (4). - С.80-88.

75. Gordon E. B. et al. Stability of micron-sized spheres formed by pulsed laser ablation of metals in superfluid helium and water //High Energy Chemistry. - 2014. - V. 48. - №. 3. - P. 206-212.

76. Chin S. L. Femtosecond laser filamentation. // New York: Springer. - 2010. -V. 55. - 130 p.

77. Chkalov R. V. et al. Femtosecond laser-induced formation of low-dimensional thin-films elements //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing. -

2019. - V. 1164. - №. 1. - P. 012009.

78. Козырь Д. В. Применение плазменного канала оптического пробоя в качестве катода в электроэрозионной обработке //Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2013. - №. 11, - С.141-146.

79. Tarasova M. A. et al. Formation of channels with changed refractive index at the filamentation of femtosecond laser radiation in quartz glass //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing. - 2019. - V. 1164. - №. 1. - P. 012023.

80. Аполлонов В. В., Плетнев Н. В. Создание протяженных проводящих каналов в атмосфере //Квантовая электроника. - 2012. - Т. 42. - №. 2. - С. 130139.

81. Райзер Ю. П. Пробой газов под действием лазерного излучения -«лазерная искра» //Соросовский образовательный журнал. - 1998. - Т. 1. - С. 89-94.

82. Сметанина Е. О., Компанец В. О., Чекалин С. В., Кандидов В. П. Особенности филаментации фемтосекундного лазерного излучения в условиях аномальной дисперсии в плавленом кварце. Ч. 1. Численное исследование //Квантовая электроника. - 2012. - Т. 42. - №. 10. - С. 913-919.

83. Дергачев А.А. Формирование и характеристики плазменных каналов при филаментации фемтосекундного лазерного излучения в воздухе: дс. ... канд. физ.-мат. наук. - М., 2014. - 146 с.

84. Эдельс Х. Определение температуры электрического разряда в газе //Оптическая пирометрия плазмы: сб./под. ред. Н.Н. Соболева - М.: ИЛ. -1960. - С. 51-81.

85. Косарева О.Г. Филаментация фемтосекундного лазерного излучения в прозрачных средах // дис. на соиск. учен. степ. д.ф.м.н.- Москва, 2011. - 233 с.

86. Velchev I., Hogervorst W., Ubachs W. Precision V UV spectroscopy of Ar I at 105 nm //Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. - 1999. -V. 32. - №. 17. - P. L511.

87. Lacroix D., Jeandel G., Boudot C. Solution of the radiative transfer equation in an absorbing and scattering Nd: YAG laser-induced plume //Journal of applied physics. - 1998. - V. 84. - №. 5. - P. 2443-2449.

88. Borra J. P. Nucleation and aerosol processing in atmospheric pressure electrical discharges: powders production, coatings and filtration //Journal of Physics D: Applied Physics. - 2006. - V. 39. - №. 2. - P. R19.

89. Grigoriu C. et al. Capture of particles from an iron and steel smelter with a pulse-energized electrostatic precipitator //Aerosol and Air Quality Research. -2012. - V. 12. - №. 5. - P. 673-682.

90. Mazumder M. et al. Characterization of electrodynamic screen performance for dust removal from solar panels and solar hydrogen generators //IEEE Transactions on industry applications. - 2013. - V. 49. - №. 4. - P. 1793-1800.

91. Lin G. Y. et al. An efficient single-stage wet electrostatic precipitator for fine and nanosized particle control //Aerosol Science and Technology. - 2010. - V. - №2. 1. - P. 38-45.

92. Kochuev D. A. et al. Formation of microspheres under the action of femtosecond laser radiation on titanium samples in hydrocarbons //IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. - 2018. - V. 951. - P. 012015.

93. Platonenko V. T. High-temperature near-surface plasma produced by ultrashort laser pulses //Laser Physics. - 1992. - V. 2. - №. 6. - P. 852-871.

94. Gibbon P., Förster E. Short-pulse laser-plasma interactions //Plasma physics and controlled fusion. - 1996. - V. 38. - №. 6. - P. 769.

95. Kochuev D. A. et al. Titanium-Carbide Formation in a Liquid Hydrocarbon Medium by Femtosecond Laser Irradiation //Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. - 2018. - V. 12. - №. 6. - P. 1220-1223.

96. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов. - М.: Мир, 1986. -504с.

97. Ionin A. A. et al. Electron emission and ultrafast low-fluence plasma formation during single-shot femtosecond laser surface ablation of various materials //JETP Letters. - 2015. - V. 101. - №. 5. - P. 308-312.

98. Хорьков К.С., Кочуев Д.А., Абрамов Д.В., Корнилова А.Д., Чкалов Р.В., Аракелян С.М., Прокошев В.Г. Динамика распределения интенсивности лазерного излучения при множественной филаментации в прозрачной среде //Динамика сложных систем — XXI век. - 2015. - Т.9. - №4. - С. 23-28.

99. Tarasova M.A., Khorkov K.S., Kochuev D.A., Ivaschenko A.V. Study of the Filamentation Phenomenon of Femtosecond Laser Radiation // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. - 2018. - V. 45. - № 8. - Р. 246-250.

100. Райзер Ю. П. Основы современной физики газоразрядных процессов. -Наука. - 1980. - 297 с.

101. Грим Г., Абрамов В. А., Иванов А. А. Спектроскопия плазмы: Пер. с англ. - Атомиздат. - 1969. - 452 с.

102. Лохте-Хольтгревен В. Методы исследования плазмы //Пер. под ред. СЮ Лукьянова. М.: Мир. - 1971. - 552 с.

103. Кочуев Д.А., Васильченкова Д.Г. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ СЛАБЫХ СИГНАЛОВ // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2020614950 05.06.2020.

104. Дьячков Л. Г., Кобзев Г. А. Баланс энергии электронов в послесвечении лазеров на парах металлов //Ж. техн. физ. - 1978. - Т. 48. - №. 11. - С. 23432346.

105. Козлов А. Н., Коновалов В. С. Исследование процесса ионизации азота и образования многозарядных ионов в канале плазменного ускорителя //Препринты Института прикладной математики им. МВ Келдыша РАН. -2017. - №. 100. - 32 с.

106. Hagelaar G. J. M., Pitchford L. C. Solving the Boltzmann equation to obtain electron transport coefficients and rate coefficients for fluid models //Plasma Sources Science and Technology. - 2005. - V. 14. - №. 4. - P. 722.

107. А.Ф. Галкин, А.Н. Маннова, Д.А.Малышева О времени жизни плазменно-эрозионного факела при лазерном импульсно-периодическом воздействии на металлическую мишень в атмосфере, Физико-математические основы индустрии наносистем и материалов // вып.9. Владимир. - 2011. -C.145-146.

108. Биберман Л.М., Воробьев В.С., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. - Изд-во «Наука», 1982. - 376 с.

109. Kramida A., Ralchenko Y., Reader J. Team 2015, NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.3) //National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD (Available at: http://physics. nist. gov/asd). - 2018.

110. Kazakov V. V., Kazakov V. G., Kovalev V. S., Meshkov O. I., Yatsenko A. Electronic structure of atoms: atomic spectroscopy information system //Physica Scripta. - 2017. - V. 92. - №. 10. - P. 105002.

111. Arakelyan S.M., Zhirnova S.V., Galkin A.F., Kochuev D.A., Shamanskaya E.L., Khorkov K.S. The temperature characteristics of plasma induced by femtosecond laser radiation //EPJ Web of Conferences. - EDP Sciences, 2019. - V. 220. - P. 03034.

112. Франк-Каменецкий Д. А. Лекции по физике плазмы // - Долгопрудный: Изд. Дом Интеллект. - 2008. - 280 с.

113. Голант В. Е., Жилинский А. П., Сахаров И. Е. Основы физики плазмы. -М.: Атомиздат, 1977. - 384 с.

114. Радциг А. А., Смирнов Б. М. Параметры атомов и атомных ионов: Справочник. - Энергоатомиздат. - 1986. - 344 с

115. Lyubimov V. V., Kozyr D. V., Gnidina I. V. Electrical Discharge Machining with the Application of the Conductive Laser Channels //Procedia CIRP. - 2015. -V. 37. - P. 112-116.

116. Козырь Д.В. Исследование параметров единичных лунок, полученных в результате электроэрозионной обработки с использованием плазменного электрода-инструмента // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2013. - № 9-2. - С. 350-357.

117. Kochuev D. A. et al. Study of Properties of Laser-Induced Plasma Channels Fodmed by Femtosecond Laser Radiation //Bulletin of the Lebedev Physics Institute. - 2020. - V. 47. - P. 37-42.

118. Kochuev D. A. Formation of Powdered Materials Exposed to Pulsed Laser Radiation in Combination with an Electric Arc Discharge //Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. - 2020. - Т. 84. - С. 330-335.

119. Майер А. Е. О возможности использования ускоренных электрическим полем наночастиц для нанесения покрытий и модификации поверхностного слоя металлов //Вестник Челябинского государственного университета. -2013. - №. 25 (316). - С. 52-56.

120. Кудрявцев П. Г., Фиговский О. Л. Использование потока электрически заряженных твердых частиц для изготовления трековых мембран //Инженерный вестник Дона. - 2017. - Т. 44. - №. 1 (44).

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Описание конструкции изолированного сосуда

В процессе проведенных исследовательских работ был разработан и изготовлен изолированный сосуд рис. 63а. Разработанный сосуд имеет каналы для электрических вводов. Герметизация в сосуде достигается за счет использования политетрафторэтилена в качестве уплотнительного материала, который обладает некоторой «хладотекучестью», что способствует заполнению им полостей меж уплотняемыми поверхностями в широком температурном диапазоне. Внешний вид разработанного сосуда представлен (см. рисунок 63).

® © (з) (7)

1гЛ М

•е.

Рисунок 63 - А - поперечное сечение сборки разработанного сосуда, Б -внешний вид разработанного и изготовленного сосуда.

1 - корпус сосуда выполнен из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т,

2 - корпус уплотнительного стакана из политетрафторэтилена-4, 3 - крышка

уплотнительного стакана из политетрафторэтилена-4, 4 - окно для ввода ЛИ

выполнено из кварцевого стекла КУ-1, 5 - прижимной фланец боковых окон,

6 - уплотнитель основания и крышки сосуда из политетрафторэтилена-4, 7 -

крышка и дно выполнены аналогичным образом, 8 - прижимной фланец

верхнего и нижнего окна. Сосуд разрабатывался для работы в широком

128

температурном диапазоне от -250 до +250 данный температурный коридор ограничен использованием фторопласта в качестве уплотнительного материала. Диапазон давлений в разработанном сосуде от 1 мбар до 25бар, коридор значений выбран исходя из используемого вакуумного насоса и газовой арматуры.

Для проведения экспериментов, требующих использование различных температурных режимов и заполнения различными рабочими средами, в конструкцию была заложена идея 2-х контурной проточной системы. Разработанная конструкция позволяет проводить исследования в широком температурном диапазоне при различных давлениях. В качестве источника низких температур использовался жидкий азот, также возможно использование других жидкостей.

Сборка изделия осуществляется посредством резьбовых соединений. На каждом стыковом участке фланцев устанавливается специальная прокладка из политетрафторэтилена (фторопласт 4), соответствующая типу соединения, вводные окна были установлены в гильзы из аналогичного материала.

Устройство обладает предметным столиком, поверхность столика имеет Т-образный паз для надежного крепления образца, исключения его перемещения в процессе заполнения камеры криостата различными средами, а также в процессе проведения обработки. Предметный столик изготовлен из меди, данный материал обладает большой теплопроводностью и теплоемкостью. Обрабатываемый образец плотно прижимается к поверхности предметного столика для обеспечения хорошего теплообмена с обрабатываемым образцом. Герметизация внутреннего объема выполнена за счет пайки элементов медного столика бронзовым припоем. Данный тип соединения обеспечивает надежное соединение, исключающее образование течей.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Описание конструкции импульсного генератора высокого напряжения

В процессе проведения литературного обзора и экспериментальных исследований явления лазерной абляционной обработки было установлено, что существует влияние электрического дугового разряда на динамику разлета ЛИПФ и продуктов абляции в том числе. Таким образом для проведения серии экспериментов, связанных с исследованием комбинированного воздействия ЛИ и электрического дугового разряда на динамику абляции, был разработан модуль генерации высокого напряжения. В электрической схеме устройства следует выделять цифровую часть, отвечающую за алгоритмическое управление работой прибора, обеспечение обратной связи с пользователем, и силовой контур, непосредственно предназначенный для генерации дуговых разрядов.

Работа устройства основана на принципе микропроцессорного управления. Несмотря на широкое распространение классических аналоговых схем генерации импульсов, достигнутый уровень развития цифровой схемотехники делает применение аналоговых средств управления нецелесообразным. Для организации цифровой логики прибора была выбрана микропроцессорная плата, построенная на базе микроконтроллера семейства ARM STM32F103C8T6TR. Программное обеспечения прибора разрабатывалось в интегрированной среде Arduino IDE. В качестве средства индикации устройство оснащено одноразрядным семисегментным светодиодным дисплеем, предназначенным для отображения заданной частоты следования высоковольтных импульсов. Допустимый диапазон варьирования частоты лежит в пределах от 1 до 250 Гц, и обусловлен минимальным временным интервалом, необходимым для накопления индуктором энергии разряда. Настройка частоты осуществляется путем вращения ручки инкрементального энкодера. Подобный подход к построению системы пользовательского интерфейса обусловлен требованиями к помехоустойчивости и эргономики.

Рисунок 64 - Блок-схема высоковольтного импульсного генератора.

Процесс формирования высоковольтных электрических разрядов включает в себя следующие этапы. Управляющий сигнал генерируется микроконтроллером, посредством механизма широтно-импульсной модуляции, что позволяет оператору корректировать как частоту следования импульсов, так и их скважность. Далее, сигнал подается на специализированный высоковольтный драйвер нижнего плеча ГО2110, который управляет биполярным транзистором с изолированным затвором FGA25N120ANTD, коммутирующим первичную обмотку катушки индуктивности. Использование данного типа транзистора позволяет предотвратить выход из строя ключевого элемента при невозможности достижения образования электрического дуги между электродами (в случае удаления электродов на чрезмерное друг от друга расстояние). Энергия электрической дуги составляет порядка 50 мДж.

Рисунок 65 - Принципиальная электрическая схема генератора высокого

напряжения.

Конструирование генератора, в виду необходимости монтажа большого количества микроэлектронных компонентов и обеспечения их надежной фиксации, осуществлялось на разработанной печатной плате методом поверхностного монтажа. Для решения задач разработки электрических схем и проектирования плат был использован бесплатный программный пакет с открытым исходным кодом ЮСаО. Технологический процесс изготовления плат основан на методе селективной лазерной абляции маскирующего слоя,

нанесенного на поверхность фольгированного стеклотекстолита с последующим травлением в растворе хлорного железа. Данный подход позволяет осуществлять быстрое прототипирование мелкосерийных образцов с точностью до 100 мкм. Совокупность принятых схемотехнических решений при создании данного лабораторного стенда позволила создать систему, способную формировать высоковольтные электрические импульсы, обладающую высокой помехоустойчивостью, что обеспечивает стабильную работу цифровой части устройства в условиях интенсивных низкочастотных электромагнитных помех. Расположение разрядного промежутка в изолированном металлическом сосуде способствует снижению амплитуды электромагнитных помех более чем в 100 раз. Без использования экранирующих систем амплитуда электромагнитных помех на удалении 500 мм от разрядного промежутка достигала 150 В, что приводило к нарушению работы используемой цифровой техники.