КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 14-12-00170

НазваниеРазработка структурно - физических основ повышения температурно-временной стабильности неравновесных аморфных и нанокристаллических металлических материалов, обладающих уникальными физико-механическими свойствами.

РуководительГлезер Александр Маркович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно–исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2017 г. - 2018 г.

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-208 - Металлы. Сплавы. Неупорядоченные структуры

Ключевые словаСтруктура, дефект, аморфное состояние, нанокристалл, граница зерна, температура, стабильность, поверхность, многослойная пленка, теплопроводность, неравновесное состояние, физическое свойство, прочность, пластичность, ультразвук.

Код ГРНТИ29.19.22

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Цели проекта - Детальное и систематическое изучение эффекта повышения температурно-временной стабильности аморфных и нанокристаллических сплавов путем оптимизации эффектов дробности и циклического реверсирования при большой (мегапластической) деформации, а также эффекта барьерных сегрегаций при последующей термической обработке. - Решение проблемы достижения оптимальных параметров отражения и пропускания электромагнитного излучения (теплового, видимого и ближнего ультрафиолетового) в метастабильных гетерофазных нанокомпозитных металл-диэлектрических покрытиях с повышенными трибологическими характеристиками. Актуальность Тема проекта является междисциплинарной и полностью соответствует Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ: 2 – Индустрия наносистем; 8 – Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика, Критическим технологиям: – Нано-, био-, информационные, когнитивные технологии, Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов. Одной из новых и перспективных областей внедрения тонкопленочных метаматериалов являются теплозащита метастабильных аморфных и нанокристаллических сплавов и на их основе компонентов устройств различного назначения. Ключевая проблема заключается в выборе оптимальной пространственной компоновки элементов наноструктуры для достижения определенного сочетания служебных характеристик и повышенной стабильности работы таких устройств в условиях внешнего воздействия. Решение этой проблемы позволит радикально расширить область применения аморфных и нанокристаллических материалов, а также разрабатываемых покрытий, в различных областях науки и техники. Проект направлен на комплексное решение проблемы расширения температурно-временного диапазона структурной стабильности аморфно-нанокристаллических материалов с применением многофункциональных теплозащитных высокопрочных покрытий, что тесно связано с разработкой новых составов и их архитектуры. В таких покрытиях в полной мере будут реализованы особые физические свойства функциональных наноматериалов: высокая прочность, абразивная и коррозионная износостойкость в сочетании с термобарьерными свойствами, настраиваемым окном пропускания и отражения излучения с определенным диапазоном длин волн, соответствующих максимальной эффективности по теплозащите или оптическим требованиям. Это позволит значительно расширить область применения разрабатываемых покрытий, используя как защитную, так и маскирующую функции в условиях, когда необходимо изменить внешний тепловой облик объекта. Научная Новизна В проекте в 2017 — 2018 гг. будут разработаны научные и технологические подходы создания принципиально нового типа мультифункциональных наноструктурированных покрытий, обладающих свойствами метаматериалов. Они основаны на недавно полученных оригинальных фундаментальных результатах по радикальному изменению физических свойств металл-диэлектрических тонких покрытий. При выборе составов, структур и архитектур ионно-плазменных покрытий будут использованы ранее найденные авторами эффекты аномального снижения теплопроводности, конфайнмента плазмонного и фононного резонансов, объемной и трансграничной анизотропии передачи анергии между тонкими слоями металла и диэлектрика. Опираясь на общность физических механизмов передачи тепла и света в материалах, авторы проекта полагают, что ранее обнаруженные аномалии в теплопередаче будут сочетаться с особыми оптическими характеристиками металл-диэлектрических наноламинатных покрытий. Хотя отдельные намеченные термобарьерные свойства таких покрытий уже достигнуты в проекте 2014 — 2016 гг. и представлены в публикациях, многофункциональные покрытия с планируемым набором оптических, теплозащитных и износостойких свойств до настоящего времени не были созданы. Предполагается применить простую масштабируемую лабораторную технологию ионно-плазменного напыления для изготовления лабораторных образцов покрытий — наноламинатных метаматериалов с реализацией уникального сочетания широкого набора оптических и защитных свойств. В результате больших (мегапластических) деформаций в различных материалах формируются уникальные физико-механические свойства. Расширение области температурно-временной стабильности этих состояний чрезвычайно важно как с научной, так и с практической точек зрения. Детальное и систематическое изучение эффекта повышения температурно-временной стабильности сплавов после оптимальных режимов больших деформаций путем комбинации различных эффектов, обнаруженных ранее, является абсолютно новой и очень важной задачей, которую предстоит решить в данном проекте в 2017-2018 гг. Содержание работ В продолжении проекта в 2017 — 2018 гг. будут разработаны научные и технологические решения придания термобарьерным наноламинатным покрытиям на основе «нитрид-металл», «оксид-металл» особых оптических фильтрующих свойств в сочетании с высокой прочностью и износостойкостью, формирующихся ионно-плазменным напылением. Мировой опыт применения интегрированной технологии нанесения ионно-плазменных покрытий на элементы из аморфных и нанокристаллических сплавов в настоящее время чрезвычайно мал. Покрытия, в которых сочетаются защитные, термобарьерные и фильтрующие оптические свойства, отсутствуют, а исследовательские работы в этом направлении являются пионерскими. По этой причине наряду с поиском оптимальных составов и структуры защитных покрытий в дальнейшем развитии проекта предполагается большой объем физических тонких исследований, компьютерных расчетов и моделирования теплопередачи и оптических свойств в зависимости от фазового состава, толщины и компоновки слоев металла и диэлектрика в многослойных покрытиях для установления их оптимальной архитектуры. В рамках исследований по изучению температурно-временной стабильности материалов после больших пластических деформаций предполагается систематическое изучение величины, дробности и эффектов реверсирования на величину химических потенциалов компонентов, на термодинамический потенциал Гиббса, на величину внутренних искажений кристаллической решетки и на дополнительную релаксацию внутренней энергии в процессе последеформационного отжига. В качестве объектов исследования будут использованы нанокристаллическте сплавы Fe-Ni, Fe-Al, Fe-Si и Fe-Co, а также аморфные сплавы на их основе. Термодинамические параметры сплавов до и после деформационных обработок будут определены методом мгновенного фиксирования электродвижущей силы. Степень искажения кристаллической решетки, степень ближнего и дальнего атомного упорядочения и характер протекания динамической рекристаллизации будут исследованы методами рентгеноструктурного анализа, просвечивающей электронной микроскопии и методом дифракции обратно рассеянных электронов. Для создания барьерных сегрегаций при отжиге деформированных состояний в изученные сплавы будут вводиться небольшие (1-2 ат. %) концентрации атомов бора и церия. Эксперименты будут проведены с помощью камеры Бриджмена при комнатной и криогенной (77 К) температурах так, чтобы проанализировать и оптимизировать совместное влияние всех трех ранее обнаруженных эффектов на температурно-временную стабильность сплавов к нанокристаллическом состоянии, обладающих высокими физико-механическими свойствами.

Ожидаемые результаты
- Впервые будут развиты научные положения по влиянию наноструктурирования на аномальные состояния атомной (решеточной) и электронной подсистем металл-диэлектрических покрытий, ответственные за их оптические свойства и теплопроводность. - Будут проведены экспериментальные исследования и технологический поиск применения уникального сочетания физических свойств металл-нитридных и металл-оксидных многослойных наноламинатных покрытий для радикального повышения структурной стабильности аморфно-нанокристаллических сплавов и их комплексной защиты от повреждающего воздействия ультрафиолетового (УФ) и инфракрасного (ИК) излучения, эрозионной и коррозионной деградации. - Будут проведены компьютерные расчеты и моделирование влияния наноструктурирования на оптические свойства и теплопередачу в многослойных металл-диэлектрических покрытиях. - Будут выявлены фундаментальные закономерности локализации и распространения плазмонных и фононных волн в нанопленках металла и диэлектрика и на их границах, а также возбуждения резонансных состояний электромагнитными волнами от ультрафиолетового излучения до теплового инфракрасного. Научная значимость этих запланированных фундаментальных физических исследований основана на ранее выявленных связях между фазовым составом и размерными параметрами нанокомпозитов с их теплозащитными и прочностными свойствами. - На основе физико-структурного подхода для тонкопленочных композитов будет решена задача их стабилизации и формирования уникального сочетания низкой теплопроводности, высокой прочности и износостойкости, а также оптической проницаемости для заданного узкого спектра светового излучения. Решение многофакторных проблем позволит изготовить лабораторные прототипы защитно-фильтрующих оптических и термобарьерных покрытий, устойчивых до максимальных рабочих температур аморфных магнито-мягких сплавов, предохраняющих их от агрессивного воздействия ультрафиолетового и инфракрасного излучения, эрозионной и коррозионной деградации. - Будет осуществлен поиск оптимальных режимов получения высокой температурно-временной стабильности сплавов на основе железа путем совместной реализации ранее обнаруженных эффектов при больших пластических деформациях и при создании в процессе отжига барьерных сегрегаций. - Будет проведено комплексное исследование термодинамических и структурных параметров сплавов различного состава после деформационной обработки по различным режимам деформирования (всего около 100 вариантов состава и параметров обработки) методами рентгеноструктурного анализа, просвечивающей электронной микроскопии, дифракции обратно рассеянных электронов, а также методом мгновенного фиксирования электродвижущей силы; - Будет осуществлено комплексное исследование кинетики структурных и фазовых превращений сплавов, показавших наиболее высокую температурно-временную стабильность при деформационной обработке, после термических обработок в интервале температур 300-700 С (всего около 60 вариантов) и содержащих бор и церий. Методами рентгеноструктурного анализа, просвечивающей электронной микроскопии и дифракции обратно рассеянных электронов будет поведен анализ возможного влияния барьерных сегрегаций. - Будет реализован анализ комплексного влияния параметров больших пластических деформаций, динамической рекристаллизации и барьерных сегрегаций на температурно-временную стабильность изученных сплавов. Будет проведена оптимизация состава и режимов деформационной и термических обработок для получения высокой температурно-временной стабильности изученных металлических систем. Результаты, полученные в рамках настоящего проекта, в перспективе могут быть перенесены на создание эрозионно-стойких защитно-просветляющих покрытий для оптических приборов, в т.ч. работающих в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, и для тепловой маскировки (изменения облика) различных конструкций. Постановка такого многопланового научного междисциплинарного исследования не имеет мировых аналогов. Внедрение полученных в проекте результатов позволит в 3 — 5 раз повысить теплозащиту чувствительных к перегреву элементов из аморфно-нанокристаллических сплавов. По результатам работы будет опубликовано более 12 статей в журналах с высокими импакт-факторами в базах данных Web of Science и Scopus, не менее 18 статей в изданиях, индексируемых РИНЦ, 1 монография. Будет опубликована обзорная статья по результатам реализации данного проекта. Будут защищены две кандидатских диссертации на основе результатов проекта. Основные результаты исследований будут обсуждены на 6 Международных и Российских конференциях.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Изготовлено 16 лабораторных образцов многослойных ионно-плазменных покрытий на основе (TixAly)N/Ag с различным сочетанием и толщиной нанослоёв от 5 нм до 300 нм на различные подложки из монокристаллического кремния, аморфных сплавов. На малоугловых наклонных шлифах исследовано влияние толщины слоев на валентную зону слоев серебра и нитрида TiAlN, энергию связи внутренних электронных уровней и межзонные переходы. Установлено, что при уменьшении толщины слоев металла и нитрида в нанометровой области размеров в многослойном покрытии радикально изменяется электронная структура: увеличивается ширина запрещенной зоны диэлектрика и снижается металличность межатомных связей в решетке металла. Это приводит к существенным изменениям в поведении электронной подсистемы при внешнем возбуждении потоками энергии. Утонение слоев серебра затрудняет возбуждение плазмонного резонанса, а следовательно подавляет электронный механизм передачи электромагнитного внешнего излучения (тепла и света) через покрытие. Методом разложения плоских волн рассчитана зонная структура многослойных Ag/TiAlN покрытий различной архитектуры. Определены условия реализации нежелательного эффекта «туннелирования» в слоях диэлектрика. Установлено, что при утонении слоев металла и нитрида до 10 нм. фотонная щель плавно уменьшается, а при толщинах менее 5 нм по некоторым кристаллографическим направлениям покрытий возможна реализация эффекта туннелирования, приводящего к потере свойств фильтрации тепла и света. Установлено, что при толщине слов серебра и нитрида менее 40-20нм. теплопроводность покрытий аномально снижается в сотни раз по сравнению с объемным материалом. Были определены взаимосвязи между плазмонным резонансом и полосой поглощения света в металл-диэлектрических нанокомпозитах с толщиной слоёв металла от 20 до 5 нм. Уровни ИК- и УФ-отсечек могут перемещаться по спектру в зависимости от параметров плазмонной системы, определяемых толщинами и числом слоёв наноламината. Установлено, что при уменьшении толщины нанослоёв в покрытиях TiAlN/Ag ниже 20/20 нм плазмон-поляритонный резонанс начинает превалировать в формировании оптических свойств, в то время как оптические свойства более толстых многослойных покрытий определяются возбуждением плазмонов. Статистическая обработка серии экспериментальных оптических спектров определила критические структурные параметры покрытий, которые влияют на их оптические характеристики. Предложено модельное покрытие Ag/TiAlN со структурой 2/70х2+2/50х2. Модельная конструкция наноламинатного Ag/TiAlN покрытия эффективно отражает ультрафиолетовую и инфракрасную области спектра, что является необходимым в защите многих оптических изделий от их деградации. Отражение вырастает до 60% в инфракрасном излучении. Ближний ультрафиолет отражается на 90%. Отражение менее 30% достигается в диапазоне 230-560 нм видимого света. Такие свойства крайне необходимы для защиты элементов солнечных батарей.6. Создан научно-методический задел для создания способов создания блокирующих сегрегаций для повышения температурно-временной стабильности материалов, подвергшихся мегапластическим деформациям и обладающих комплексом высоких физиео-механических свойств. В сплавах на основе Fe-Al впервые обнаружено необычное явление, связанное с подавлением и последующим восстановлением степени дальнего порядка по мере возрастания величины мегапластической деформации. Зафиксировано возрастание намегниченности насыщения при определенных составах и параметрах деформации, связанное с изменением параметра кристаллической решетки и характером ближнего окружения ферромагнитных атомов в сплавах. На основе полученных результатов в рамках данного проекта подготовлена и сдана рукопись монографии "Amorphous Alloys: Temperature and Time Stability", которая выйдет в свет в 2018 году в издательстве "Taylor & Francis" (США).

Публикации

1. А.Ковалев, Д. Вайнштейн, М. Вахрушев, Р. Гаго, Ф. Сщлдера, Х. Ендрино, Г. Фукс-Рабинович, С. Вельдхьюз Features of electronic and lattice mechanisms of transboundary heat transfer in multilayer nanolaminate TiAlN/Ag coatings Scientific Reports, 7, 17078 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1038/s41598-017-17291-4

2. Д.Л. Вайнштейн, А.И. Ковалев Regularities of electronic structure transformations in nanomaterials with decreasing their characteristic size. Journal of Physics, 857 012055 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1088/1742-6596/857/1/012055

3. Д.Л. Вайнштейн, В.О. Вахрушев, А.И. Ковалев Control of optical properties of metal-dielectric planar plasmonic nanostructures by adjusting their architecture in the case of TiAlN/Ag system Journal of Physics, 857 012054 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1088/1742-6596/857/1/012054

4. И.Е. Пермякова, А.М. Глезер, Е.С. Савченко, И.В. Щетинин Effect of External Actions on the Magnetic Properties and Corrosion Resistance of Co70.5Fe0.5Сr4Si7B18 Amorphous Alloy Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2017, Vol. 81, No. 11, pp. 1310–1316 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.3103/S1062873817110144

5. М.В. Горшенков, А.М. Глезер, О.А. Корчуганова, А.А. Алеев, Н.А. Шурыгина Effect of -(Fe,Ni) Crystal-Size Stabilization in Fe–Ni–B Amorphous Ribbon Physics of Metals and Metallography, 2017, Vol. 118, No. 2, pp. 176–182 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1134/S0031918X1702003X

6. Пермякова И.Е., Глезер А.М., Савченко Е.С., Щетинин И.В. Влияние внешних воздействий на магнитные свойства и коррозионную стойкость аморфного сплава Co70.5Fe0.5Сr4Si7B18 ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2017, том 81, № 11, с. 1458–1465 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.7868/S0367676517110059

7. А. Ковалев, Д. Вайнштейн, В. Вахрушев, Р. Гаго, Ф. Солдера, Х. Эндрино Mechanism of transboundary heat transfer in planar mim metamaterial on base of TiAlN/Ag by excitation of electronic hot carriers and phonons. Proceeding of European Conference on Applications of Surface and Interface Analysis, ECASIA’17, 2017, 367 (год публикации - 2017)

8. Глезер А.М., Тимшин И.А. Новые «странные» явления, обнаруженные в последнее времяпри изучении процессов, протекающих при очень больших пластических деформациях Актуальные проблемы прочности: сборник тезисов LVIII международной конференции, 16-19 мая, 2017 г. Пермь, 2017. – 274 с., стр. 15 (год публикации - 2017)

9. Д.Вайнштейн, И. Вахрушев, А. Ковалев, Р. Гаго Plasmon and phonon excitations and heat transport in nanolaminate alumina/silver multilayer coatings Proceeding of European Conference on Applications of Surface and Interface Analysis, ECASIA’17, 2017, 95 (год публикации - 2017)

10. Д.Л. Вайнштейн, А.И. Ковалев. Закономерности изменений электронной структуры наноматериалов при уменьшении их характерных размеров Труды 13-й Международной конференции “Пленки и покрытия - 2017”, Санкт-Петербург, Издательство Политехнического университета, 2017, 199-203 (год публикации - 2017)

11. Д.Л. Вайнштейн, В.О.Вахрушев, А.И. Ковалев. Управление оптическими свойствами металл-диэлектрических плазмонных планарных наноструктур изменением их архитектуры на примере системы TiAlN/Ag Труды 13-й Международной конференции “Пленки и покрытия - 2017”, Санкт-Петербург, Издательство Политехнического университета, 2017, 227 – 231 (год публикации - 2017)

12. Пермякова И.E., Глезер А.М. Влияние экстремальных воздействий на структуру и свойства аморфных сплавов Co-Fe-Cr-Si-B VII Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». Москва. 7-10 ноября 2017 г./ Сборник материалов. – М: ИМЕТ РАН, 2017, 951с., с. 374-375 (год публикации - 2017)

13. Пермякова И.E., Глезер А.М. Структурные превращения, свойства аморфных сплавов и композитов на их основе при внешних воздействиях Cедьмая международная конференция «Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов»... Тезисы докладов. М., МИСиС, 2017 – 249 с., стр. 155 (год публикации - 2017)

14. Пермякова И.Е., Глезер А.М. Структурные особенности и свойства композитов, полученных при кручении в камере Бриджмена ленточных аморфных сплавов Актуальные проблемы прочности: сборник тезисов LVIII международной конференции, 16-19 мая, 2017 г. Пермь, 2017. – 274 с., стр. 17-18 (год публикации - 2017)

15. Пермякова И.Е., Глезер А.М., Карпов М.И., Штанский Д.В., Горшенков М.В., Щетинин И.В. Аморфизация структуры и механические свойства Нанокомпозитов системы Cu-Nb при кручении под высоким давлением VII Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». Москва. 7-10 ноября 2017 г./ Сборник материалов. – М: ИМЕТ РАН, 2017, 951с., стр. 559-561 (год публикации - 2017)

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1. Изготовлена партия лабораторных образцов 9 композиций многослойных ионно-плазменных покрытий из серебра, и оксида Al2O3 различной структуры площадью 10х10мм с различным сочетанием и толщиной нанослоёв (от 5нм до 300 нм).нанесенных на подложку из Si, Al2O3. 2. Исследованы особенности плазмон-поляритонного взаимодействия на границе «металл - диэлектрик» в зависимости от толщины слоёв Al2O3 , Ag и порядка их размещения относительно направления распространения волнового процесса. Установлено, что по мере уменьшения толщины слоев Al2O3 выравнивается запрещенная зона, изменяется энергетическая щель в направлениях М, Г и Х в обратном пространстве. Показано, что в условиях конфайнмента наблюдается радикальная перестройка электронной структуры слоев серебра, обусловленная локализацией (связыванием) 5s электронов при снижении их обменного взаимодействия с зоной проводимости. Установлено, что в сверх тонких слоях металла и диэлектрика металл частично теряет металличность межатомных связей. В связи с этими установленными фактами изучена плазмон-поляритонная передача энергии на границе раздела металл-диэлектрик. Впервые разработанным методом плазмонной электронной микроскопии исследованы проявления конфайнмента при возбуждении плазмонных колебаний и измерена глубина проникновения плазмон-поляритонного взаимодействия на границе раздела. Экспериментально подтверждены теоретические расчеты симметричного и антисимметричного плазмонного резонанса при изменении толщины слоев металла в нанометровом диапазоне. Показано, что эти виды плазмонного резонанса зависят не только от толщины нанослоев серебра, но и от энергии плазмонного возбуждения. Все эти эксперимнтальные данные получены впервые, являются уникальными и раскрывают физические механизмы передачи энергии внешнего возмущения в нанослоях металла и через границу раздела в нанослои диэлектрика. Глубина плазмон-поляритоного взаимодействия в этом случае минимальна и не превышает 5 нм. 3. Установлены связи между параметрами электронной структуры, особенностями плазмон-поляритонных возмущений, оптическими и теплозащитными свойствами лабораторных образцов. Разработана обобщенная физическая модель взаимодействия фотонов с материалом и теплопереноса при наноструктурировании МДМ покрытий, основанная на рассмотрении плазмонного и фононного резонансов. Установлено радикальное снижение коэффициента теплопроводности наногетероструктур от 20.0 Вт/мК до 7.42 Вт/мК при уменьшении общей толщины многослойного покрытия от 500 нм до 50 нм. Дальнейшее снижение толщины слоев металла и диэлектрика до 1 нм и 24 нм соответственно, приводит к дальнейшему уменьшению теплопроводности до 1.0-2.0 Вт/мК. Установлено, что по мере уменьшения толщины слоев в многослойном металл-диэлектрическом покрытии рассеяние тепла на границах раздела вносит все больший вклад в общее падение теплопроводности материала. Аномальное снижение теплопроводности в многослойном Ag / Al2O3 наномаминате по сравнению с объемными компонентами объясняется влиянием конфайнмента на распространение плазмонов. Впервые экспериментально установлено, что в нанометровом диапазоне толщин слоев менее 20-30 нм квантовые эффекты существенно снижают эффективное сечение теплоперноса в объеме и по границам раздела в слоистом нанокомпозите. При этом трансграничный перенос энергии в наибольшей степени откликается на изменение толщины слоев металла и диэлектрика в нанометровом диапазоне. Предложена теоретическая схема физических условий плазмон-поляритонного возбуждения на границе раздела слоев Ag и Al2O3, отвечающая за прохождение тепла и видимого света сквозь многослойное покрытие. Поляритонный резонанс обеспечивает инжекцию электронов Ag 5s в зону проводимости Al2O3 путем накачки энергии в условиях локализации граничного электромагнитного поля, генерируемого плазмонным резонансом. Утонение слоев усложняет распространение плазмонов и фононов в слоях и на границах раздела. Проникновение плазмон-поляритона в диэлектрические слои достигает 2,0-5,0 нм и зависит от энергии плазмона и интенсивности возбуждения. Поляритонное возбуждение является наиболее важным этапом электронного переноса тепла от металла к диэлектрику. Глубина проникновения плазмон-поляритонов является наиболее важной характеристикой теплопередачи. Установлено, что все созданные многослойные покрытия имеют очень высокий (85  88%) коэффициент отражения в ближней ИК-области (h = 1 эВ), хорошо коррелирует с превосходной теплоотражающей способностью изучаемых систем. На основе экспериментально найденных оптических констант исследованных наноламинатных многослойных покрытий методом компьютерного моделирования предложена оптимальная архитектура Ag/Al2O3 покрытий с увеличенной в 2 раза отражательной способностью в ультрафиолетовом диапазоне длин волн при сохранении наивысшего пропускания видимого света и высокой отражательной способности для инфракрасного излучения. 4. Проведено комплексное исследование кинетики структурных и фазовых превращений сплавов, показавших наиболее высокую температурно-временную стабильность при деформационной обработке, после термических обработок в интервале температур 300-700 С и содержащих бор и церий. Методами рентгеноструктурного анализа, просвечивающей электронной микроскопии и дифракции обратно рассеянных электронов установлено заметное влияния барьерных сегрегаций на термическую стабильность свойств исследованных сплавов. Установлено, что стабильность исходного структурного состояния при больших пластических деформациях определяется составом сплава, а также дробностью и температурой деформации. Наибольшая стабильность фазового состава зафиксирована в аморфных сплавах в условиях деформации при криогенной (77 К) температуре. Стабильность фазового состава для кристаллических сталей и сплавов зависит от температуры плавления и диффузионной подвижности атомов исходных фаз. Склонность к динамической рекристаллизации исходно кристаллических сплавов в процессе больших деформаций не зависит от исходного состояния сталей и сплавов и определяется условиями диссипации упругой энергии в соответствии со спецификой неравновесной термодинамики. Детально изучена эволюция структуры и фазового состава сплавов под действием обычных термических воздействий и лазерного нагрева (всего 68 вариантов). Установлено стабилизирующее влияние барьерных сегрегаций, формирующихся в аморфных и кристаллических материалах, легированных бором и церием. Показано, что разнообразие режимов лазерного воздействия, высокая точность облучения пучком, минимизация повреждений материала делают лазерный дизайн перспективной технологией для избирательной обработки аморфных и кристаллических материалов с сохранением высоких эксплуатационных характеристик. 5. Проанализировано комплексное влияние параметров больших пластических деформаций, динамической рекристаллизации и барьерных сегрегаций на температурно-временную стабильность изученных кристаллических сплавов. Оптимизирован состава и режимы деформационных и термических обработок для чистых металлов (Fe и Ti) и стехиометрических композиций сплавов (FeNi, FeCo, Fe3Al), позволяющих достичь повышенную температурно-временную стабильность в сочетании с высокими физико-химическими и механическими свойствами. В частности показано, что температурно-временная стабильность сплава FeCo существенно выше стабильности чистого Fe и сплавов FeNi и Fe3Al вследствие заметно более низкого коэффициента диффузии. Методом оже-спектроскопии экспериментально установлено, что при определенных температурах в железе и его сплавах образуются поверхностные и зернограничные сегрегации растворенных элементов (С,N, B, P, Ce, S, Sn), которые могут выполнять функции барьеров, замедляющих развитие процессов деградации структуры и свойств. 6. Полученные результаты представлены в 7-и устных докладах на 6-и крупных международных и российских конференциях: European conference on Nanofilms 2018, Cranfield, UK, 20-28 March 2018; E-MRS 2018, European Materials Research Society, Warsaw, Poland, 17-20 September 2018 и удостоены награды конференции E-MRS 2018. Кроме того, результаты исследований по проекту были заслушаны в виде пленарных докладов на LX Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (Витебск, Беларусь, 14.05-18.05.2018), На XVII Всероссийской школе-конференции молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений" (Сочи, Россия, 14.09-23.09.2018), на X Международной конференции "Фазовые превращения и прочность кристаллов", Черноголовка, Россия (29.10-02.11.2018), на Открытой школе-конференции стран СНГ "Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы-2018", Уфа, Россия (01.10-05.10.2018). Важнейшие результаты проекта явились основой для изданной в Англии и США монографии: A.M. Glezer, A.I. Potekaev, A.O. Cheretaeva "Thermal and Time Stability of Amorphous Alloys". 2018. CRC Press, Taylor and Francis Group. ISBN 978-1-138-96827-8. Все запланированные в пунктах рабочего плана 1-6 работы выполнены в полном объеме.

Публикации

1. Fox-Rabinovich G., Ковалев А.И., Гершман И.С., Вайнштейн Д.Л., Aguirre M., Covelli D., Paiva J., Yamamoto K., Veldhuis S. Complex Behavior of Nano-Scale Tribo-Ceramic Films in adaptive PVD coatings under Extreme Tribological Conditions Entropy, - (год публикации - 2019)

2. Вайнштейн Д.Л., Вахрушев В.О., Ковалев А.И. Влияние архитектуры на оптические свойства многослойных наноламинатных металл-диэлектрических планарных покрытий на основе Al2O3/Ag ПРОБЛЕМЫ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ, 2018, № 2, стр. 85-92 (год публикации - 2018)

3. Вайнштейн Д.Л., Ковалев А.И. Tribooxidation as a Way to Improve the Wear Resistance of Cutting Tools Coatings, 2018, 8, 223 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.3390/coatings8060223

4. Вайнштейн Д.Л., Ковалев А.И., Вахрушев В.О., Гаго Р., Эндрино Х. Interconnections between Electronic Structure and Optical Properties of Multilayer Nanolaminate TiAlN/Ag and Al2O3/Ag Coatings Coatings, 2018, 8, 290 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.3390/coatings8080290

5. Пермякова И.Е, Глезер А.М., Карпов М.И., Внуков В.И., Штанский Д.В., Горшенков М.В., Щетинин И.В. STRUCTURE AMORPHIZATION AND MECHANICAL PROPERTIES OF NANOLAMINATES OF THE COPPER–NIOBIUM SYSTEM DURING HIGH-PRESSURE TORSION Russian Physics Journal, Vol. 61, No. 3, p. 428-438 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1007/s11182-018-1417-3

6. Пермякова И.Е, Глезер А.М., Карпов М.И., Внуков В.И., Штанский Д.В., Горшенков М.В., Щетинин И.В. АМОРФИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОЛАМИНАТОВ СИСТЕМЫ «МЕДЬ – НИОБИЙ» ПРИ КРУЧЕНИИ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. ФИЗИКА, Т. 61, № 3 (2018), стр. 28-37 (год публикации - 2018)

7. Филиппова В.П., Блинова Е.Н., Глезер А.М., Сундеев Р.В., Томчук А.А., Мурадимова Л.Ф. Competition between the volume solution and the surface segregation of solved elements in α-Fe Materials Physics and Mechanics, 38 (2018) 90-110 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.18720/MPM.3812018_13

8. Глезер А.М. Modern materials strengthening techniques by extreme effects MATEC Web of Conferences, 224, 03020 (2018) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1051/matecconf/201822403020

9. Пермякова И.Е. Effect of Laser Radiation on the Structure and Properties of Amorphous Alloys: A Review Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Vol. 82, No. 9, pp. 1086–1095 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.3103/S1062873818090162

10. В.О. Вахрушев, А.И. Ковалев, Д.Л. Вайнштейн Investigation of electronic and optical properties of multilayer nanolaminar metal-dielectric planar coatings on base of TiAlN/Ag and Al2O3/Ag Proceedings of E-MRS 2018, Proceedings of E-MRS 2018, (год публикации - 2018)

11. Вайнштейн Д.Л. Tribooxidation as a way to improve the wear resistance of cutting tools European conference on Nanofilms 2018, Programme March 20-22 2018, p. 19 (год публикации - 2018)

12. Вайнштейн Д.Л., Ковалев А.И., Вахрушев В.О., Гаго Р., Эндрино Х. Interconnections between electronic structure and optical properties of multilayer nanolaminate TiAlN/Ag and Al2O3/Ag coatings European conference on Nanofilms 2018, Programme March 20-22 2018, p. 30 (год публикации - 2018)

13. - Уникальная защита: в России создали материал толщиной в несколько атомов Интернет-сайт "Сделано у нас", - (год публикации - )

14. - В ЦНИИчермет имени И. П. Бардина разработаны физические принципы создания уникальных наноматериалов Интернет-сайт Минпромторга РФ, Пресс-релиз от 17.09.2018 (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы при разработке перспективных высоких и экологически безопасных технологий обработки металлических сплавов для придания им особых физических свойств. В работе получен значительный задел по новым методам существенного повышения температурно - временной стабильности широкого класса аморфных и аморфно-нанокристаллических железных сплавов.Разработанные приемы сегрегационной инженерии границ зерен являются новыми и могут применяться более широко для стабилизации ультрадисперсной структуры наноматериалов. Предложенные защитные многослойные металл-диэлектрические наноламинатные покрытия по своим свойствам являются термобарьерными и обладают настраиваемыми оптическими фильтрующими свойствами, полезными не только для повышения термической стабильности аморфных сплавов, но и для защиты элементов солнечных батарей, зеркал лазеров. Полученные новые экспериментальные сведения, развитые физические модели и новые знания по исследованию трансформации электронной и атомной подсистем при наноструктурировании металлов и диэлектриков способствуют преодолению ограничений прогностических компьютерных расчетов свойств гетерофазных тонкопленочных планарных материалов в наноструктурном состоянии.