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 17-79-10272

НазваниеРазработка и исследование сверхтвердой, «скользкой» керамики на основе AlMgB14

РуководительЖуков Илья Александрович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет", Томская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2017 - 06.2019

Конкурс№23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-103 - Трибология

Ключевые словаКерамика, трение, износ, твердость, композиционный материал, высокотемпературный синтез, структура, свойства, фазовый состав, порошки.

Код ГРНТИ81.09.03

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект направлен на получение новых знаний, разработку и изучение свойств сверхтвердых материалов AlMgB14+X, где в качестве X будет рассмотрена группа добавок – TiB2, SiC, TiC, BN и др. Первоочередной задачей проекта является разработка отечественного аналога BAM (англ. аббревиатура) БАМ (бор – алюминий – магний) химическая формула которого примерно отвечает AlMgB14. Твердость указанного материала по данным [Cook, B. A., Harringa, J. L., Lewis, T. L., & Russell, A. M. (2000). A new class of ultra-hard materials based on AlMgB 14. Scripta Materialia, 42(6), 597-602; Kevorkijan, V., Škapin, S. D., & Suvorov, D. (2015). Synthesis and characterisation of ultra-hard and lightweight AlMgB14–xTiB2 composites for wear-resistance and ballistic protection. Metallurgical and Materials Engineering, 21(1), 45-56], в том числе с добавками других соединений, достигает до 51 ГПа. Полученные сравнительно недавно сотрудниками американской лаборатории Ames (Department of Energy Ames laboratory, USA) данные о материале AlMgB14 показали его уникальные свойства – по твердости БАМ уступает лишь алмазу и нитриду бора, наибольшей показатель достигается при синтезе композиционных материалов AlMgB14 –TiB2 [Kleiner, K. (2008). Material slicker than Teflon discovered by accident. New Scientist] и при этом обладает уникальным коэффициентом трения ~ 0,02, у тефлона коэффициент трения составляет 0.04 – 0,1 а у хорошо смазанной стали – не менее 0,16 [Кручинина И. Ю., Антипов В. Н. Проблемные вопросы создания высокоскоростных мини-турбогенераторов и пути их решения //Информационно-управляющие системы. – 2012. – №. 4 (59)]. В литературе исследователи сходятся во мнении о несимметричной орторомбической с множеством дефектов кристаллической решётки БАМ; взаимодействие бора с металлами приводит к образованию фаз внедрения и соединений с новым структурами [Wan, L. F., & Beckman, S. P. (2014). Lattice instability in the AlMgB 14 structure. Physica B: Condensed Matter, 438, 9-12.; Материаловедение: учебное пособие / И.М. Жарский и др. – Минск 2015 – 557 с., ]. В связи с этим, проект предусматривает экспериментальные работы по синтезу БАМ и проведение рентгеноструктурных и рентгенофазовых исследований, позволяющих получить новые данные о кристаллической структуре и ее влиянии на свойства получаемых материалов на основе AlMgB14. Что касается подходов по синтезу указанного материала, будут экспериментально опробованы, как известные из литературы, так и оригинальные следующие подходы: 1) Синтез из порошковых материалов алюминия (марки АСД различной дисперсности, нанопорошков типа «Alex»), магния (различной дисперсности) и чистого аморфного (черного) бора (~ 99 %). Такой подход будет включать классические операции –термохимической обработки исходных порошков, прессования порошков в стехиометрическом (и с небольшими отклонениями) соотношении с последующим спеканием при различных температурах в инертной среде (глубокий вакуум, аргон). 2) Механическая активация (по аналогии «mechanical alloying» [Zhuang, L., Lei, Y., Chen, S., Hu, L., & Meng, Q. (2015). Microstructure and mechanical properties of AlMgB14–TiB2 associated with metals prepared by the field-assisted diffusion bonding sintering process. Applied Surface Science, 328, 125-132; Li, C. S., Yang, F., Yan, G., Xiong, X. M., Liu, G. Q., Sun, Y. Y., ... & Feng, J. Q. (2014). AlMgB14–TiB2 synthesized by a two-step heat-treatment method. Journal of Alloys and Compounds, 587, 790-793] подготовленных порошковых шихт (алюминий - магний - бор (~ стехиометрия)) в планетарных шаровых мельницах в среде аргона с последующими операциями горячего прессования (при различных давлениях и температурах) в вакууме и классического прессования и спекания в инертных средах. 3) Использование СВС-реакторов для исследования возможности получения AlMgB14-TiB2 в режиме самоподдерживающегося горения (использование экзотермической реакции титана и бора). 4) Синтез оригинальных (близких к стехиометрии) порошковых прекурсоров для получения AlMgB14. Подразумевается синтез алюмомагниевого нанодисперсного порошка, для синтеза предполагается использовать алюмомагниевый сплав в виде проволоки для получения порошка электро-взрывом проволоки [Vorozhtsov, S., Zhukov, I., Vorozhtsov, A., Zhukov, A., Eskin, D., & Kvetinskaya, A. (2015). Synthesis of micro-and nanoparticles of metal oxides and their application for reinforcement of Al-based alloys. Advances in Materials Science and Engineering, 2015]. Полученный алюмомагниевый порошок в стехиометрическом соотношении (и с небольшими отклонениями) с бором спекать в вакуумных печах и горячим прессованием. Переход к наноразмерным порошкам увеличит реакционную способность шихты. После получения AlMgB14 в проекте предполагаются исследования, направленные на синтез (горячим прессованием, спеканием, будут рассматриваться и другие варианты) и изучение свойств композиционных материалов AlMgB14 – X, где в качестве X будет рассмотрена группа добавок – TiB2, SiC, TiC, BN и др. в различном соотношении. Стоит отметить, что синтез порошков диборида титана различной дисперсности будет производиться исполнителями в проекте самостоятельно в режиме СВС, для этого исполнители обладают необходимым опытом [Zhukov, I., Ziatdinov, M., Vorozhtsov, A., Zhukov, A, Vorozhtsov, S, Promakhov, V. Self-Propagating High-Temperature Synthesis of Al and Ti Borides Russian Physics Journal, DOI: 10.1007/s11182-016-0911-8; Zhukov, A., Zhukov, I., Ziatdinov, M., Promakhov, V., Vorozhtsov, A., Vorozhtsov, S., & Dubkova, Y. (2016, October). Self-propagating high-temperature synthesis of energetic borides. In A. Godymchuk, & L. Rieznichenko (Eds.), AIP Conference Proceedings (Vol. 1772, No. 1, p. 020015). AIP Publishing]. Кроме рентгеноструктурных и рентгенофазовых исследований, в проекте будут проводиться исследования структуры получаемых материалов с использованием растровой и просвечивающей электронной микроскопии; измерения твердости получаемых материалов различными методами; трибологические испытания, статическое нагружение материалов с записью диаграмм; исследования плотности материалов; исследования скорости и температуры горения (при проведении экспериментов в режиме СВС), для порошковых материалов будут проведены исследования гранулометрического состава (получены гистограммы распределения частиц по размерам). Интерпретация полученных данных будет производиться с учетом последних тенденций материаловедения и новых научно-информационных данных. Полученные экспериментальные данные в систематизированном виде будут представлять комплекс фундаментальных знаний и научно-технологических подходов синтеза и свойств материала AlMgB14 и композитов на его основе. Полученные данные, несомненно, расширят представление о природе синтезируемых веществ и их дальнейшем неограниченном применении в деталях машин, инструментах и пр. в качестве «идеальной, вечной смазки». Практическое применение разрабатываемых материалов в качестве конструкционных материалов и покрытий для подвижных частей позволит не только существенно повысить энергоэффективность, но и снизить шум, что, в свою очередь является актуальным в военном машиностроении, например для уменьшения шума подводных лодок. Кроме того указанные материалы, благодаря малой плотности и высокой твёрдости, могут найти практическое применение в качестве материалов для средств бронезащиты.

Ожидаемые результаты
Результаты, запланированные к получению в проекте, сформируют научно-технологический задел и создадут предпосылки для разработки технологий промышленного освоения сверхтвёрдых материалов с низким коэффициентом трения, что соответствуют мировому уровню современного материаловедения. Материалы и покрытия на основе AlMgB14 могут широко использоваться во всех узлах трения - подшипники, валы в наносах, турбины, режущий инструмент, буры и т.д. При этом переход на новые перспективные керамические материалы и покрытия AlMgB14 (и композиты на его основе) существенным образом обеспечит энергосбережение и снизит шум установок, например различных турбин и насосов. Даже при условии высокой стоимости на сегодняшний день материалов такого класса они могут быть широко востребованы в военном машиностроении, например при изготовлении подшипников и валов в узлах подводных лодок для существенного снижения шума. Также разрабатываемые материалы, благодаря малой плотности и высокой твёрдости, могут найти практическое применение в качестве материалов для средств бронезащиты. Кроме того, реализация проекта будет способствовать разработке отечественных аналогов БАМ (AlMgB14) и, как следствие сократить технологическое отставание РФ. Стоит отметить, что в отечественной литературе встречается очень ограниченное число публикаций, посвященных вопросам разработки и изучения материала AlMgB14 и композитов на его основе, при этом крупных научных проектов РФ в этой области также нет. Выполнение проекта предполагает подачу заявки на патент с оригинальными решениями по синтезу материалов, так например компания Gillete в августе 2016 г получила патент «Бритвенные лезвия с покрытиями на основе алюминий-магниевого борида». Полученные данные о физико-механических свойствах (данные о кристаллической структуре, трении, прочности, твёрдости в зависимости от условий синтеза (давлений температур, дисперсности исходных порошков), несомненно, расширят представления о механизмах управления структурно-фазовым состоянием материалов AlMgB14 и его композитов, и смогут дополнить картину знаний в области современного материаловедения и физики конденсированного состояния. При этом полученные данные позволят сформулировать фундаментальные зависимости влияния различных параметров структуры синтезируемых материалов на их свойства и дополнить (объяснить) механизмы формирования уникальных характеристик – «вечная смазка», сверхтвердость.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---