Определение условий формирования нанопористых структур лазерным воздействием

Изделия из неметаллических нанопористых материалов на основе полимеров, стекла, керамики и графита [1, 2 и др.] получают достаточно широкое распространение. В отличие от вышеперечисленных материалов, металлические обладают улучшенными физико-механическими и технологическими свойствами: механической прочностью, термостойкостью, тепло- и электропроводностью; имеют повышенную химическую стойкость. Подобное структурирование металлических материалов имеет перспективы при создании оптоэлектронных устройств и высокочувствительных сенсоров [3-5]. В настоящей работе определены условия и экспериментально исследованы особенности формирования нанопористых структур в сплаве системы Cu-Zn при воздействии на его поверхность лазерного излучения. Для формирования требуемого энергетического воздействия применялись специальные оптические системы на основе фокусаторов излучения [6-15], что позволяло регулировать температурно-скоростные условия обработки.

• 1.    ИССЛЕДУЕМЫЙ МАТЕРИАЛ

• 2.    РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Трегуб Николай Валерьевич, аспирант Мурзина Юлия Сергеевна, студент выходная мощность которого имеет возможность плавного регулирования в пределах 100…1000 Вт, а исходный диаметр пучка с гауссовским распределением плотности мощности составляет 20 мм. Контроль температуры в зоне нагрева осуществлялся с помощью бесконтактного инфракрасного термометра «Кельвин-1300 ЛЦМ», имеющего диапазон измерения температур 300…1300° C. Лазерное излучение было преобразовано с применением оптических систем на основе фокуса-торов излучения в прямоугольник с равномерным распределением плотности мощности. До лазерного воздействия никакой специальной обработке образцы не подвергались. Распределение плотности мощности лазерного излучения измерялось методом параллельного анализа.

Определены режимы лазерного воздействия, позволяющие осуществлять изменение формирование нанопористых структур металлических материалов. Воздействие лазерным излучением с частотой следования импульсов до 5 кГц – при условии нагрева материала ниже температуры плавления позволяет формировать напряженное состояние поверхности образца. Предполагается, что основным механизмом образования нано-пористой структуры является сублимация компонента сплава с более высокой упругостью паров (Zn). В материале создается градиент концентраций, и в дальнейшем данный компонент сублимирует в той мере, в какой обеспечивается его диффузионная доставка к поверхности. Со временем, толщина обедненного цинком слоя увеличивается, и диффузия становится лимитирующим фактором процесса сублимации. Условием для интенсификации массопереноса в твердой фазе металлических материалов является нестационарная локальная деформация, вы- зываемая высокоэнергетическим внешним воздействием [16-25]. Установлено, что лазерная обработка позволяет создать в поверхностном слое металлического материала нанопористую структуру как со средним размером пор 40…50 нм, так и около 100 нм, при этом нанопоры равномерно распределяются внутри субзерен, имеют относительно стабильные размеры и формы.

При нагреве лазерным излучением на воздухе поверхность образца из медно-цинкового сплава покрывается оксидным слоем. Реагируя со свободным и связанным кислородом (пары воды, углекислый газ), пары сублимировавшего цинка превращаются в распыленный оксид, который осаждается на поверхности материала в виде дисперсного порошка белого цвета. На поверхности латуни образуется оксидная пленка лимонножелтого цвета, которая с увеличением времени лазерного воздействия переходит в белесоватосерую, характерную для оксида цинка, состоящую из кристаллов вытянутой игольчатой формы. С увеличением температуры нагрева интенсивность возгонки цинка возрастает даже в окислительных средах. На рис. 1 представлено изображение области нагрева образцов из латуни Л62 лазерным воздействием с образованием на поверхности белесовато-серой пленки оксида цинка ZnО, полученные с применением растрового электронного микроскопа. На рис. 2 приведены полученные в результате лазерного воздействия с высокой частотой следования импульсов нановолокна оксида цинка, которые являются перспективным материалом для сенсорных приложений в связи с его чувствительностью к различным химическим агентам, биосовместимостью, возможностью модификации различными методами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Определены условия формирования нанопо-ристых структур лазерным воздействием. Осуществлено воздействие лазерным излучением с длиной волны 10,6 мкм и частотой следования импульсов до 5 кГц. Установлено, что лазерная обработка позволяет создать в поверхностном слое металлического материала нанопористую структуру как со средним размером пор 40…50 нм, так и около 100 нм. Интенсивность формирования пор, а также их размеры и форма, зависят от температурно-скоростных условий обработки, которые определяются значением и распределением плотности мощности в области нагрева, продолжительностью воздействия и частотой следования импульсов. Такая структура формируется за счет образования вакансий и их коагуляции в результате сублимации цинка с поверхности материала, развития градиента концентрации и диффузии к поверхности компонента с относительно высокой упругостью паров, что подтверждается результатами элементного анализа.

На поверхности латуни образуется оксидная пленка лимонно-желтого цвета, которая с увели-

Рис. 1. Изображение области нагрева образцов из латуни Л62 лазерным воздействием с образованием на поверхности белесоватосерой пленки оксида цинка ZnО, полученное с применением растрового электронного микроскопа

Рис. 2. Нановолокна оксида цинка, полученные в результате лазерного воздействия с высокой частотой следования импульсов чением времени лазерного воздействия переходит в белесовато-серую, характерную для оксида цинка, состоящую из кристаллов вытянутой игольчатой формы. Полученные структуры металлических материалов материал с нановолокнами оксида цинка на поверхности являются перспективным для сенсорных приложений.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.