АНАЛИЗ ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ ИСХОДНЫХ ПОДЛОЖЕК АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДА КЕЛЬВИНА

В настоящее время использование методов зондовой электрометрии в неразрушающем контроле сдерживается сложностью интерпретации результатов измерений, что связано с многофакторностью измерительного сигнала, зависящего от большого количества параметров физико-химического состояния поверхности: отклонений химического состава, механических напряжений, дислокаций, кристаллографической ориентации поверхности и др. Целью исследования являлось применение методов зондовой электрометрии для неразрушающего контроля и анализа дефектов прецизионных металлических поверхностей, полученных различными видами обработки.

Методика экспериментальных исследований включала в себя построение визуализированного изображения пространственного распределения контактной разности потенциалов (КРП) по поверхности образцов методом сканирующего зонда Кельвина, построение гистограммы распределения значений КРП и определение статистических характеристик распределения, таких как математическое ожидание значений КРП и полуширина гистограммы распределения (для каждой моды при многомодальном распределении)

Исследовано пространственное распределение КРП исходных подложек из алюминия А99 и сплава АМГ-2 после обработки поверхностей электрохимической полировкой и алмазным наноточением, а также после формирования на подготовленной поверхности слоя специфического наноструктурированного оксида алюминия толщиной 30 мкм. Более высоким качеством обладают поверхности, характеризующиеся меньшей полушириной гистограммы распределения. Наибольшей механической прочностью и в целом лучшими механическими свойствами при прочих равных условиях обладают поверхности с наиболее низкими значениями контактной разности потенциалов, что соответствует наибольшим значениями работы выхода электрона и поверхностной энергии. Наличие второй моды в гистограмме распределения значений контактной разности потенциалов указывает на наличие значимых по площади дефектных областей на соответствующей поверхности образца.

Экспериментально показано, что анализ визуализированных изображений пространственного распределения КРП с использованием данных критериев позволяет выявлять и характеризовать такие дефекты, как места концентрации остаточных механических напряжений, участки с пониженной микротвердостью поверхности, загрязнения, коррозионные дефекты. Тем самым обеспечивается возможность оперативного неразрушающего контроля и диагностики функциональных характеристик прецизионных поверхностей металлов, в частности, исходных подложек для изготовления чувствительных элементов устройств сенсорики.

1. Вудраф, Д. Современные методы исследования поверхности / Д. Вудраф, Т. Делчар. – М. : Мир, 1989. – 564 c.

2. Nazarov, A. Application of EIS and SKP methods for the study of the zinc/polymer interface / A. Nazarov, T. Prosek, D. Thierry // Electrochimica Acta. – 2008. – Vol. 53, no. 25. – P. 7531–7538.

3. Kiejna, A. Simple theory of elastically deformed metals: Surface energy, stress, and work function / A. Kiejna, V.V. Pogosov // Phys. Rev. B. – 2000. – Vol. 62. – P. 10445–10450.

4. Pogosov, V.V. Effect of Deformation on Surface Characteristics of Finite Metallic Crystals / V.V. Pogosov, O.M. Shtepa // Ukr. J. Phys. – 2002. – Vol. 47, no. 11. – P. 1065–1070.

5. Levitin, V.V. Inflence of Cyclic Stresses upon the Electronic Work Function for the Metal Surface / V.V. Levitin [et al.] // Solid State Communications. – 1994. – Vol. 92, no. 12. – P. 973–976.

6. Лоскутов, C.B. Формирование энергетического рельефа металлических поверхностей в процессах трения и изнашивания / C.B. Лоскутов, В.В. Левитин, В.Н. Гордиенко // Трение и износ. – 2002. – Т. 23, № 2. – С. 176–180.

7. Шаронов, Г.В. Контроль металлических поверхностей, обработанных алмазным наноточением, по работе выхода электрона / Г.В. Шаронов, А.Л. Жарин, Н.И. Мухуров, К.В. Пантелеев // Приборы и методы измерений. – 2015. – № 2 (10). – С. 196–203.

8. Zhong, K. Effects of strain on effective work function for Ni/HfO2 interfaces / K. Zhong, G. Xu, J.-M. Zhang, Z. Huang // J. Appl. Phys. – 2014. – Vol. 116. – P. 063707.

9. Li, W. In situ measurements of simultaneous electronic behavior of Cu and Al induced by mechanical deformation / W. Li, D. Y. Li //J. Appl. Phys. – 2006. – Vol. 99. – P. 073502.

10. Белый, А.В. Работа выхода электрона и физикомеханические свойства хромсодержащих ионнолегированных сталей / А.В. Белый, А.Л. Жарин, А.Н. Карпович, А.К. Тявловский // Весці Нацыянальнай акадэміі навук Беларусі. Серыя фізіка-тэхнічных навук. – 2016. – № 1. – С. 21–27.