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 17-73-20038

НазваниеКомпьютерный дизайн новых материалов с оптимальными показателями твёрдости и трещиностойкости

РуководительКвашнин Александр Геннадьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2020 

Конкурс№24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-604 - Многомасштабное компьютерное моделирование структуры и свойств материалов

Ключевые словатрещиностойкость, твёрдость, новые материалы, компьютерный дизайн материалов, квантово-химические расчеты, USPEX

Код ГРНТИ29.03.77

СтатусЗакрыт досрочно

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основной научной проблемой, на решение которой направлен проект, является поиск новых материалов, с оптимальным сочетанием твёрдости и трещиностойкости, с использованием современных методов компьютерного дизайна материалов, которые могут заменить традиционные материалы в большом количестве приложений. Такая проблема возникает в результате того, что получить материал с высокими показателями как твёрдости, так и трещиностойкости невозможно. Самые твёрдые материалы будут являться достаточно хрупкими, в то время как материалы с высокой трещиностойкостью не обладают достаточно высокой твёрдостью. Разработанная в лаборатории А.Р. Оганова модель для оценки трещиностойкости материалов позволяет оценивать данную величину исходя из таких характеристик, как объемный и сдвиговый модули. Таким образом, объединение эволюционного алгоритма поиска кристаллических структур, реализованного в программном комплексе USPEX, и полуэмпирических моделей по оценке твёрдости и трещиностойкости позволит эффективно предсказать кристаллическую структуру, а современные квантово-химические методы позволят исследовать физические свойства новых материалов, которые будут обладать необходимыми оптимально высокими значениями твёрдости и трещиностойкости. Научная новизна проекта заключается в предсказании и теоретическом исследовании новых материалов с оптимальным сочетанием твёрдости и трещиностойкости. Ранее исследований по предлагаемым задачам не проводилось, что дает все основания судить об актуальности планируемых исследований.

Ожидаемые результаты
В рамках проекта впервые будет сделано следующее: 1. определен ряд перспективных соединений различного состава для проведения детальных расчетов по оптимизации необходимых физических свойств выбранных соединений. 2. на основе отобранного ряда соединений будут начаты работы по компьютерному поиску новых фаз переменного состава с оптимальными значениями трещиностойкости и твёрдости с помощью эволюционного алгоритма поиска кристаллических структур, реализованного в программном комплексе USPEX. 3. для наиболее перспективных соединений будут определены параметры кристаллической структуры и будет детально исследована термодинамическая стабильность, что позволит определить возможные способы синтеза таких соединений. 4. комплексное исследование механических характеристик предсказанных материалов (тензор упругости, объемный и сдвиговый модули, модуль Юнга и др.) и будут оценены трещиностойкость и твёрдость предсказанных материалов, с использованием различных теоретических моделей. Проводимые исследования позволят предсказать структуру, свойства и возможные способы экспериментального синтеза новых материалов, которые будут сочетать в себе высокую твёрдость и одновременно высокую трещиностойкость, что является практически важным для многих областей науки и техники, а также для промышленности. Планируемые результаты полностью соответствуют мировому уровню исследований в области предсказания новых материалов с заведомо известными оптимальными свойствами. Соединения с такими свойствами могут быть использованы как в космической (твёрдое покрытие) и обрабатывающей промышленностях (сверла для буровых установок), так и в военной промышленности, например, в качестве основы для бронежилета или защитного покрытия для военной техники. Результаты проекта планируется опубликовать в виде серии статей, индексируемых в WoS и Scopus, и докладов на российских и международных конференциях.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В первый год работы над проектом удалось добиться значительных результатов как в области предсказания конкретных материалов, обладающих высокими показателями твердости и трещиностойкости, так и в разработке новой модели, позволяющей оценивать трещиностойкость. Новая модель позволяет оценивать трешиностойкость исходя из рассчитанных механических характеристик материала. Новая модель трещиностойкости основана на корреляциях между экспериментально измеренными значениями трещиностойкости и упругими свойствами материалов. Таким образом, в настоящий момент можно производить компьютерный поиск материалов, с использованием энергии материала, его твёрдости по Виккерсу и трещиностойкости в качестве целевых функций поиска, что делает поиск более эффективным. Исследования новых боридов вольфрама привело к предсказанию нового сверхтвердого материала WB5, который имеет наибольшее значение твердости по Виккерсу, среди боридов вольфрама, равную 45 ГПа и очень высокую трещиностойкость ~5.3 МПа·м1/2, в то время как трещиностойкость самого известного твердого сплава WC равна 5 МПа·м1/2 при твердости ~30 ГПа. В дополнение к своим феноменальным механическим свойствам, WB5 термодинамически устойчив при атмосферном давлении при всех температурах, по меньшей мере, до 2400 K. Все полученные данные позволяют рассматривать его как перспективный материал для приложений в различных областях промышленности.

 

Публикации

1. Квашнин А.Г., Захарян А.А., Жао Ч., Дуан И., Квашнина Ю.А., Щие Ц., Донг Х., Оганов А.Р. New Tungsten Borides, their Stability and Outstanding Mechanical Properties The Journal of Physical Chemistry Letters, - (год публикации - 2018)

2. Ниу Х., Ниу Ш., Оганов А.Р. Simple and accurate model of fracture toughness of solids Physical Review Letters, - (год публикации - 2018)

3. Хе Ш.-Л., Донг Ш., Ву Ч., Жао Ж., Жу Ч., Оганов А.Р., Тиан Я. Ю Д., Жоу Ш.-Ф., Ван Х.-Т. Predicting the ground-state structure of sodium boride Physical Review B, 97, 100102(R) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.100102

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Во второй год работы над проектом удалось добиться значительных результатов в области предсказания новых боридов переходных металлов с высокими показателями твердости и трещиностойкости. Комплексное исследование системы Mo-B позволило предсказать стабильность нового высшего борида молибдена MoB5, обладающего сочетанием высокой твердости по виккерсу (37 ГПа) и сравнительно высокой трещиностойкостью ~3.5 МПа·м^1/2. Данное соединение должно быть термодинамически стабильно в широком диапазоне температур. Кроме того, исследование влияния типа легирующих добавок на механические свойства предсказанного MoB5 и WB5 (предсказанного в прошлом году) позволили определить тип добавки, приводящей к увеличению механических характеристик материалов до 10%. Исследование стабильных и метастабильных боридов гафния позволило показать, что механические свойства данных соединений в первую очередь зависят от структурного мотива подрешётки бора, а не от количества бора в соединениях. Кроме того, построенные фазовые диаграммы показывают большое количество метастабильных соединений, которые могут быть стабильными при высоких температурах и потенциально могут быть получены экспериментально и обладать высокой твёрдостью. Была рассчитана фазовая диаграмма моноборидов вольфрама из которой можно определить условия термодинамической стабильности всех трёх исследованных моноборидов вольфрама. Так, новая предсказанная фаза моноборида вольфрама является термодинамически стабильной только при низких температурах до 300 K. Повышение температуры приводит к стабилизации α-фазы, которая переходит в β-фазу при ~2000 K. Новая предсказанная фаза не была получена экспериментально, потому что она стабильна только в области низких температур, в то время как все эксперименты проводятся при высоких температурах.

 

Публикации

1. А.Г. Квашнин, А.И. Самцевич, А.Р. Оганов Phase Transitions in Tungsten Monoborides Physical Chemistry Chemical Physics, - (год публикации - 2019)

2. А.Г. Квашнин, Ю.А. Квашнина, Д.В. Рыбковский, А.Р. Оганов Phase diagram of Mo-B: New Superhard MoB5 Acta Materialia, - (год публикации - 2019)

3. Ц. Сие, Ч. Жанг, А.А. Закарян, Х. Ван, Н. Лиу, А.Г. Квашнин, А.Р. Оганов Stable and Hard Hafnium Borides: A First-principles Study Journal of Applied Physics, - (год публикации - 2019)

4. А.Р. Оганов, А.Г. Квашнин, Г. Салех Computational Materials Discovery: Dream or Reality? Computational Materials Discovery, RSC Publishing, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1039/9781788010122