Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Согласно Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации приоритетной задачей современных научных исследований и технических разработок является переход к передовым цифровым интеллектуальным производственным технологиям. В рамках поставленной задачи на первый план выходят современные производственные технологии (аддитивные технологии) создания изделий сложной формы с заданными (стабильными) параметрами структуры и свойств и возможностью бионического дизайна элементов для оптимизации функциональных свойств конструкций (с применением передовых инженерных CAE систем), что, в конечном итоге, оказывает положительное влияние на экономические параметры при эксплуатации сложных систем и ускоряет выход на рынок новой научно-технической продукции за счет сокращения цикла инженерных разработок. Проект №18-79-00153 «Изучение физических закономерностей формирования структурно-фазового состояния и физико-механических свойств керамических материалов, полученных 3D печатью с применением высоконаполненных термореактивных и фотоотверждаемых суспензий» посвящен разработкам научно-технических решений получения керамических материалов с применением аддитивных технологий и исследованиям их структурно-фазовых параметров. В ходе выполнения первого этапа проекта разработана оригинальная конструкция 3D принтера для печати керамических образцов из термопластичных систем на основе наноструктурных порошков оксидов металлов. Оптимизированы рабочие параметры нового 3D принтера. Разработаны научные основы получения высоконаполненных суспензий на основе термореактивных (на основе парафина и воска) и фотополимерных связующих. Проведены исследования по изучению зависимости удельной поверхности порошков от температуры отжига. Получены опытные образцы керамических материалов Al2O3, ZrO2(3%Y2O3) и ZrO2(Y2O3)+20%Al2O3. Выявлено, что прочность керамики ZrO2(Y2O3)+20%Al2O3 при статическом изгибе составила 720±94 МПа, микротвердость по Виккерсу HV=20 ГПа, модуль упругости E=310±35 ГПа. Для керамики на основе системы ZrO2(4%Y2O3) установлено, что прочность изгиб составила 870±120 МПа микротвердость по Виккерсу HV=14 ГПа, модуль упругости E=280±55 ГПа. Для керамики на основе Al2O3 прочность изгиб составила 350±74 МПа микротвердость по Виккерсу HV=22 ГПа, модуль упругости E=343±40 ГПа. В ходе работы изучены закономерности формирования структуры, фазового состава и механических свойств керамических материалов, полученных с применением аддитивных технологий. Проведен анализ особенностей микроструктуры керамики. Показано, что при 3D печати образцов керамики с применением послойного наплавления керамических паст формируется несколько видов пор, которые характеризуются различной природой. Изучено механическое поведение образцов керамики с различной ориентацией слоев относительно оси нагружения. При сравнении диаграмм деформирования обнаруживается выраженная зависимость изменения механических свойств образцов от ориентации слоев. Установлена тенденция на снижение предела прочности на изгиб и повышение значений деформации при изгибе при сравнении средних значений изгибной прочности и деформации. Жесткость материала, характеризуемая модулем упругости при изгибе, уменьшается при изменении ориентации укладки слоев от параллельной к ортогональной направлению главной оси образца. Результаты оценки механических свойств материалов, полученных с применением аддитивных технологий, свидетельствуют о необходимости учета анизотропии параметров деформации и разрушения при разработке адекватных физико-математических моделей, способных предсказать поведение функциональных элементов конструкций из этих типов материалов. Полученные результаты оформлены в виде статьи приняты к публикации в журнале Известия вузов. Физика/Russian Physics Journal и будут опубликованы в мае 2019 года. Развиты модельные представления гетерогенных сред для описания процессов деформации, повреждения и разрушения керамических композиционных материалов при интенсивных динамических воздействиях. Выбор динамических подходов при нагружении обусловлен перспективным применением керамики в качестве защитных элементов для космических объектов и в средствах индивидуальной бронезащиты. Для моделирования процессов разрушения керамики, полученной по аддитивным технологиям, на следующем этапе выполнения проекта будут дополнительно проведены экспериментальные исследования параметров деформации и разрушения при динамическом нагружении. Полученные параметры лягут в основу верифицированной модели. Помимо основного плана исследований по проекту научной группой выполнена серия экспериментов по получению металлокерамических композиционных материалов с применением аддитивной технологии прямого лазерного выращивания. Взгляд в эту область исследований обусловлен тем, что с применением лазерных аддитвиных технологий можно получать изделия за одну стадию. Однако в чистом виде керамические материалы получать с применением лазеров нельзя, как показали обзорные данные. В связи с этим актуальным является разработка металлокерамических композиционных материалов использование которых позволит применять лазерную технику и получать свойства изделий максимально приближенные к керамикам. Это новое направление для аддитивных технологий, которое весьма перспективно для многих областей промышленности, в частности, для ракетно-космическо техники. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта были представлены на следующих научных мероприятиях: 1) 3rd International Symposium Additive Manufacturing, January 29–31, 2019, Dresden, Germany (стендовый доклад по теме « Composite ceramic based on ZrO2-Al2O3 obtained using additive technologies»), докладчик - Промахов В.В. 2) V Международная конференция «Аддитивные технологии: настоящее и будущее» 22.03.2019 г.Москва (стендовый доклад по теме «Получение металломатричных композиционных материалов с применением аддитивной технологии прямого лазерного выращивания»), докладчик - Промахов В.В. 3) V Международная конференция «Аддитивные технологии: настоящее и будущее» 22.03.2019 г.Москва(устный доклад по теме «Структура и свойства керамических композиционных материалов системы ZrO2+20%Al2O3, полученных с применением аддитивных технологий»), докладчик - Промахов В.В. 4) 2019 young Ceramists Additive Manufacturing Forum (yCAM) - 3 to 5 April 2019 Belgium (Стендовый доклад по теме «Structure and Properties of ZrO2–20%Al2O3 Ceramic Composites Obtained by robocasting»), докладчик - Промахов В.В. 5) XVI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» 23–26 апреля 2019 г., Томск (устный доклад по теме «Исследование керамических композиционных материалов, полученных с применением аддитивных технологий»), докладчик - Шульц Н.А. Результаты работы были освящены в СМИ (http://www.tsu.ru/news/razrabotki-uchenykh-tgu-pomogut-udeshevit-3d-pecha/).

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В ходе проведенных исследований и разработок в период 2019-2020 г. были получены фотоотверждаемые керамические суспензии на основе диоксида циркония с содержанием порошка 40 об.%. Установлено, что вязкость полученных суспензий составила менее 5 Па·с, что является оптимальным для их использования в технологии лазерной стереолитографии. Показано, что плотность полученных образцов керамики после высокотемпературного спекания составила 5,9 г/см3, микротвердость по Виккерсу составила 11-12 ГПа, прочность при испытаниях на трёхточечный изгиб составила 1080 МПа. Регистрация профилей скорости свободной поверхности образцов керамик ZrO2 и ZrO2 с 20% добавкой Al2O3 в процессе ударного сжатия позволили определить динамический предел упругости (σHEL) и откольную прочность (σsp) исследуемых материалов. Измеренная величина σHEL для керамики ZrO2 имеет ожидаемое (соответствующее плотности керамики) значение от 9.7 до 11.4 GPa, зависящее от толщины образцов. Регистрируемое значение σHEL для керамики ZrO2 с 20% добавкой Al2O3 сильно зависит от плотности образцов и лежит в диапазоне от 5.5 до 9.3 GPa. Добавка оксида алюминия ожидаемо уменьшает плотность керамики на ~12 % и незначительно уменьшает значение σHEL. Образцы керамики ZrO2 с 20% добавкой Al2O3 демонстрируют почти двукратное уменьшение откольной прочности при превышении динамического предела упругости. Величина откольной прочности керамики ZrO2 слабо зависит от максимального значения давления ударного сжатия. Уменьшение откольной прочности при превышении динамического предела упругости для двух исследованных керамик, вероятно, связанно с растрескиванием материала в пластической ударной волне. Результаты моделирования показывают, что нелинейные эффекты механического поведения керамических композитов ZrO2-Al2O3 с трансформационно-упрочненной матрицей, полученные аддитивными технологиями, проявляются при амплитудах ударного нагружения, близких или превышающих предел упругости. Нелинейные эффекты при интенсивных динамических воздействиях на рассматриваемые композиты связаны с процессами самоорганизации деформационных режимов на мезоскопическом уровне (формирование блочных подструктур), а также с возникновением мартенситных фазовых превращений в объемах матрицы, прилегающих к упрочняющим частицам. Наличие субмикронных армирующих частиц приводит к изменению формы локальной зоны повреждения, в то время как увеличение относительного количества поврежденных частиц можно определить как образование сдвиговых мезокрещин в объеме композита. Представленный в данной работе подход моделирования может быть использован для определения динамических характеристик керамических композитов до ударных нагрузок 1000 м/с. В ходе выполнения исследования установлено, что с применением самораспространияющегося высокотемпературного синтеза возможно получение металлокерамических композиционных материалов с металлической матрицей и керамическими частицами с размером 0,5-5 мкм. Использование таких металлокерамических композиционных материалов эффективно при создании новых металломатричных композитов в процессе прямого лазерного выращивания. Проведены комплексные аналитические исследования мировых трендов развития научных исследований в области аддитивных технологий. Как показал анализ мировых трендов, к настоящему времени тенденции развития аддитивных технологий таковы, что основной акцент смещается к разработкам новых материалов, которые позволяют достигать высоких значений эксплуатационных свойств изделий, полученных на современных машинах 3D печати. Прежде всего, мировые научно-исследовательские центры и корпорации, работающие в области развития аддитивных технологий, делают акцент на новых композиционных материалах. Имеющиеся у авторского коллектива компетенции позволяют создавать ряд уникальных металломатричных композиционных материалов в виде порошков и проводить изучение структурно-фазового состояния новых материалов, полученных с применением лазерных технологий выращивания. Для комплексного решения проблемы получения металломатричных композиционных материалов с применением аддитивной технологии прямого лазерного выращивания и комплексного исследования параметров физико-механических свойств новых материалов в широком диапазоне скоростей деформирования и при повышенных температурах под руководством Промахов В.В. подан проект «Разработка научных основ получения высокопрочных металломатричных композиционных материалов с применением технологии прямого лазерного выращивания» в рамках конкурса конкурса 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными. Сформулированные в новом проекте цели и задачи являются новым фазовым состоянием цикла работ авторского коллектива, посвященного развитию фундаментальных вопросов материаловедения новых металломатричных (металлокерамических) композиционных материалов и аддитивных технологий. В данном проекте будут получены новые фундаментальные результаты о закономерностях формирования структурно-фазового состояния и механических свойств новых металломатричных композиционных материалов, полученных с применением аддитивной технологии прямого лазерного выращивания. Для формирования полной и детальной фундаментальной базы знаний о механизмах деформации и разрушения материалов, полученных по аддитивным технологиям, материалы будут изучаться, в том числе, при высоких скоростях деформирования (в условиях ударно-волновых нагружений). Полученные экспериментальные данные лягут в основу комплексных математических моделей, описывающих механику разрушения материалов, полученных с применением аддитивных технологий, для последующего прогнозирования поведения материалов в сложнонагруженных условиях эксплуатации. Эти сведения нужны для оптимизации составов сложных сплавов и композитных материалов, режимов механической обработки материалов, а также для решения задач высокоскоростного удара и пробивания. Изучение механизмов разрушения полученных в проекте материалов будет проводиться с учетом подходов о многомасштабной, иерархически организованной структуры. Решение поставленных в проекте задач эволюции напряженно-деформированного состояния и многомасштабного разрушения в металлокерамических композиционных материалах с иерархической структурой будет иметь большое значение для многих смежных областей механики. Результаты работ по второму этапу проекта были представлены в СМИ - https://youtu.be/EKqq_pt2bo4.