Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1) Предложена модель, описывающая как прямую, так и обратную зависимости Холла-Петча, экспериментально наблюдаемые в нанокристаллических керамических шпинелях MgAl2O4. В рамках модели пластическая деформация в нанокристаллической керамике реализуется путем скольжения решеточных дислокаций в сочетании с термически активируемым зернограничным проскальзыванием (ЗГП). Первый механизм преобладает в более крупных зернах, второй – в более мелких. Показано, что в зависимости от значения энергии активации ЗГП предел текучести может быть связан с размером зерна с помощью прямой или обратной зависимости Холла-Петча. Таким образом, пластическая деформация, реализуемая посредством термически активированного ЗГП в сочетании с внутризеренной пластичностью, может объяснить наблюдение как прямой, так и обратной зависимости Холла-Петча в нанокристаллических шпинелях MgAl2O4. 2) Построены теоретические модели, описывающие трещиностойкость нанокомпозитов «YSZ-керамика-графен» и некоторые смежные явления. В частности, предложена модель, описывающая влияние бриджинга трещин (crack bridging) на вязкость разрушения композитов керамика-графен. Расчитаны зависимости вязкости разрушения от концентрации графена и размеров графеновых пластин. Расчеты предсказывают, что в случае, если бриджинг является доминирующим механизмом увеличения трещиностойкости, максимальный рост вязкости разрушения достигается для длинных и как можно более тонких пластин при условии, что последние имеют достаточную прочность на разрыв и хорошую адгезию с матрицей. Модель хорошо согласуется с экспериментальными данными для низких значений концентрации графена. Предложена упругая модель одного из основных концентраторов напряжений в керамиках и керамических нанокомпозитах – поры в тройном стыке границ зерен (ГЗ), имеющей форму округлого выпуклого или вогнутого треугольника с осями симметрии третьего порядка, лежащими в плоскостях ГЗ, образующих этот тройной стык. Для решения использовано численное моделирование методом конечных элементов с применением программного пакета ANSYS. Подробно исследован случай одноосного растяжения, рассчитаны концентрация напряжений на поверхности поры и их распределение вблизи поры по осям ее симметрии. Показано, что максимальное значение концентрации тангенциальных напряжений на поверхности поры возрастает по мере отклонения ее формы от круглой и достигает значений ~3.7 для выпуклой и ~4.3 для вогнутой поры. Эффект концентрации напряжений вдоль осей симметрии поры увеличивается с отклонением формы поры от круглой и достаточно ощутим в области, не превышающей 3 радиуса круглой поры. За пределами этой области эффект концентрации напряжений становится пренебрежимо малым. Разработана механическая модель дислокационной пластичности и взаимодействия дислокаций с ГЗ в нанокристаллических материалах (НКМ), в которых возможны процессы генерации, перемещения дислокаций и ЗГП. На основе этой модели, предсказывающей как прямое, так и возвратное вращение зерен, проведено обсуждение взаимосвязи между дислокационным механизмом пластичности и ЗГП в НКМ. Особое внимание уделено высокоскоростной деформации. Показано, что концепция постоянной доли энергии, запасаемой в материале в виде дефектов его структуры, позволяет естественным образом описать переход между внутризеренным и зернограничным механизмами пластичности при увеличении размера зерна. В случае чрезвычайно высоких скоростей деформации 108-109 с-1 диффузионные процессы, связанные с энергией границ зерен, имеют место только для зерен с размерами больше 5 нм. Это приводит к возникновению критического размера зерна, ниже которого зерна не изменяют свою первоначальную форму в процессе деформации. Полученное значение 3-5 нм оказалось близко к известному значению 6 нм для квазистатического нагружения. Для больших зерен кинетика возникновения новых дислокаций полностью определяет углы поворота и наклона ГЗ. Проведена предварительная подготовка к моделированию электропроводности и трещиностойкости керамического нанокомпозита YSZ/rGO на основе трехмерного дискретного комплекса. Комбинаторный 3-комплекс, представляющий поликристаллическую микроструктуру керамики, был получен с помощью разбиения полиэдрами Вороного вокруг заданного множества точек, распределенных случайным образом в границах кубического контейнера. Для построения этого комплекса использовалось бесплатное программное обеспечение Voro ++ (math.lbl.gov/voro++). Вывод Voro ++ представляет собой список узлов, образующих политопы Вороного вместе с декартовыми координатами каждого узла. Это позволяет визуализировать комплекс и получить статистическую информацию о количестве вершин, содержащихся в каждом зерне. Показано, что для больших комплексов, содержащих более 200 зерен, все отношения между переменными, определенными на его элементах, оказываются довольно гладкими. Это дает возможность определить электрическую проводимость комплекса, отдельно учитывая вклад зерен, границ зерен и сети графеновых пластин. Кроме того, проведено предварительное моделирование растрескивания вдоль границ зерен в зависимости от начальной концентрации rGO и определено его влияние на проводимость всего комплекса. 3) Разработаны методы синтеза и проведены экспериментальные исследования синтезированных этими методами образцов керамико-графеновых нанокомпозитов на основе оксида циркония СаО-ZrO2-Gr(rGO) и ZrO2-Y2O3-Gr(rGО). Керамика состава 0.12CaO-0.88ZrO2 (мол. долей) получена из композитного нанопорошка 0.12CaO-0.88ZrO2 + 0.25 вес. процентов восстановленного оксида графена (rGO) спеканием на воздухе при 1823 К. Показано, что керамика состоит из зерен кубической формы, разделенных межфазными границами. Структура керамики обладает высокой степенью сформированности. Использование композитного прекурсора приводит к значительному измельчению микроструктуры керамики по сравнению с традиционными методами ее получения. Добавка rGO сегрегируется на границах зерен и эффективно блокирует рост зерен керамики при спекании, на что указывает большее количество зерен размером 1-2 мкм. Фазовый состав всех керамик отвечает хорошо сформированному кубическому твердому раствору без примесей CaO или соединения CaZr4O9, на что указывает высокая кристалличность (98 процентов), а также размер кристаллитов 60 нм. rGO выступает в качестве лубриканта, который облегчает прессование образца и последующее его удаление из пресс-формы, что позволяет добиться более совершенной структуры твердого раствора при спекании. В спектрах комбинационного рассеяния присутствуют линии при 146, 260 и 610 см-1, соответствующие кубической модификации диоксида циркония. Линии ~1368 и 1578 см-1, характерные для rGO, отсутствуют, что указывает на то, что rGO полностью удалился в процессе обжига. Показана аррениусовская зависимость электропроводности керамики от температуры во всем изученном интервале. Характер проводимости – чисто ионный. Значение проводимости при 973 К (700 градусов Цельсия) составляет ~10-2 См/см, рассчитанная суммарная энергия активации проводимости – 1.14 эВ. Показано также, что добавка rGO в состав керамики снижает ее микротвердость по Виккерсу с 10.09±0.91 до 7.85±0.84 ГПа. Максимальная прочность керамики на сжатие составила 472 МПа, что в ~1.7 раза выше, чем для керамики на основе кубических твёрдых растворов диоксида циркония, стабилизированного оксидом кальция (CSZ, 300 МПа), а также в ~2.5 раза выше, чем для твердых электролитов на основе системы MgO-ZrO2. Таким образом, в результате получена керамика на основе диоксида циркония, обладающая высокими электрофизическими и достаточными механическими характеристиками для получения твердых электролитов с улучшенными характеристиками. Для синтеза композитной керамики ZrO2-Y2O3-Gr(rGО) в качестве углеродной компоненты использован rGО, полученный по методу Хаммерса. Керамический порошок-прекурсор получен по методике золь-гель синтеза в варианте обратного соосаждения из растворов солей ZrO(NO3)2 и Y(NO3)3 суммарной концентрации растворённых солей 0,1М; в качестве осадителя использовался 1М раствор аммиака в воде. Порошок-прекурсор и rGO перемешивались и механоактивировались в течение 6 часов при скорости вращения 420 об./мин с использованием планетарной мельницы Pulverizette 4. Полученные порошки превращались в керамические композиты различными методами компактификации и обжига. Первая серия образцов керамики с различным содержанием углеродной компоненты YSZ + 0; 0,25; 0,6; 2,5 масс. процентов rGO спекалась на воздухе при температуре 1550 градусов Цельсия в хромитлантановой печи в течение 3 часов. На полученных образцах исследованы фазовый состав, наличие углеродной добавки после синтеза, плотность, микротвёрдость по Виккерсу и электрические характеристики. Показано, что в ходе синтеза получились хорошо спечённые образцы, состоящие только из фазы кубического ZrO2 с кристалличностью >95 процентов. Присутствия углеродной фазы не выявлено. Сделан вывод, что графеновая добавка выгорает при данной температуре при спекании на воздухе. Для составов с 0, 0.25, 0.6 и 2.5 масс. процентов rGO получено понижение средней твёрдости с ростом добавки графена в рамках погрешности измерений. Самая малая добавка приводит к уменьшению твёрдости и к наименьшей погрешности измерений. При 0.6 процентах графена и выше твёрдость остаётся постоянной, но растёт отклонение от среднего значения. При 2.5 процента графена твёрдость падает, и значительно растёт отклонение от среднего значения. Для получения керамики с сохранением фазы графена были проведёны опыты по синтезу образцов состава YSZ + 0,25 мас. процента rGO в следующих разных условиях: (1) в гарнисаже из карбида кремния в смеси с графитом при температуре 1550 градусов Цельсия в течение 1 часа и (2) в глубоком вакууме (10-8 атм.) с выдержкой 1 ч и без выдержки. Аналогично образцам, спечённым на воздухе, образцы были исследован методами СЭМ, РФА, рамановской спектроскопии и импедансной спектроскопии. Показано, что в ходе синтеза (1) графен действительно остаётся в керамике, однако при этом не оказывает такого влияния на электрические свойства, как в предыдущем случае. Твёрдость керамик с 0.25 процента rGO оказывается на одном уровне для спекания на воздухе и в гарнисаже, но разброс значений больше во втором случае, что говорит о большей неоднородности этих образцов. В случае (2) наблюдается визуальная разница в граничной и центральной частях образцов. Для образца III, полученного без выдержки, это никак не сказывается на значениях твёрдости. Для образца I, полученного с выдержкой, значения твердости в граничной области выше. Твердость образца I как в граничной, так и в центральной области выше, чем у образца III. Образцы YSZ (91ZrO2-9Y2O3) без и с добавкой 0,25 мас. процента rGO были получены также методом плазменно-искрового спекания в вакууме при температуре 1400 градусов Цельсия и приложенном давлении 50 МПа в течение 3 минут. Значения плотности составили 5,757 г/см3 для YSZ-rGO и 5,832 г/см3 для чистого YSZ, т. е. 96,6-97,9 процента от значения теоретической плотности 5,96 г/см3. Высокая степень кристалличности говорит о том, что были получены хорошо спечённые образцы. Измеренные значения микротвёрдости составили 14,09 ГПа для YSZ-rGO и 14,05 ГПа для чистого YSZ. Данные СЭМ также показали, что образцы хорошо спеклись, зёрна получившейся керамики обладают чёткими границами спаянности, количество пор керамики минимально. Также показано наличие диспергированной углеродной фазы. Таким образом, установлено, что наличие в составе композитов графена значительно влияет на электрические и механические свойства. Это влияние определяется способом синтеза композитов, а именно условиями и методом обжига. Концентрация углеродной компоненты также оказывает влияние на свойства композитов, и имеет концентрационный оптимум, в области которого не происходит рекомбинация графена в графит.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1) Компьютерное моделирование пластической деформации монолитных нанокерамик на основе шпинелей MgAl2O4 методом дискретной дислокационной динамики Предложена компьютерная модель пластической деформации нанокристаллических керамик в области малых размеров зерен. В рамках модели деформация описывается как совместное действие зернограничного скольжения и испускания решеточных дислокаций из тройных стыков границ зерен (ГЗ). Методом дискретной дислокационной динамики рассчитаны кривые «напряжение-деформация» и найдена зависимость предела текучести от размера зерна. В рамках модели приложенное напряжение активирует источник зернограничных дислокаций в центре одной из ГЗ, вызывая межзеренное проскальзывание путем последовательного испускания диполей зернограничных дислокаций. Зернограничные дислокации накапливаются в тройном стыке, что приводит к концентрации напряжений в окрестности тройного стыка. Если приложенное напряжение будет достаточно высоким, это, в свою очередь, может активировать источник решеточных дислокаций и привести к зарождению диполя решеточных дислокаций вблизи тройного стыка и испусканию одной из дислокаций диполя в тело зерна. Результаты расчетов продемонстрировали наличие обратной зависимости Холла-Петча (уменьшение предела текучести с уменьшением размера зерна) в диапазоне размеров зерен от 10 до 50 нм. Результаты модельных расчетов показывают качественное совпадение с экспериментальными данными. 2) Теоретические модели прочности и трещиностойкости нанокомпозитов «керамика–графен» 2.1. Предложена теоретическая модель, описывающая влияние межзеренного скольжения на вязкость разрушения композитов «керамика/графен». В рамках модели межзеренное скольжение вблизи вершины трещины нормального отрыва инициирует образование новой нано- или микротрещины в соседней ГЗ. Новая трещина сливается с уже существующей магистральной трещиной, обеспечивая тем самым ее распространение. Для случая, когда предложенный механизм роста трещины ограничивает вязкость разрушения композитов «керамика/графен», рассчитана зависимость вязкости разрушения от размера зерна и боковых размеров графеновых пластинок. Показано, что межзеренное скольжение у вершины трещины снижает вязкость разрушения, и этот эффект является наиболее сильным для случая, когда размер зерна мал, а боковые размеры пластинок графена близки к размерам ГЗ. Результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными по вязкости разрушения композитов «Al2O3/графен». Таким образом, добавки графена могут не только увеличивать вязкость разрушения керамик (за счет эффектов бриджинга, искривления и разветвления трещин), но при определенных условиях и уменьшать ее. В случае малых боковых размеров пластинок графена размер зерна начинает оказывать большое влияние на вязкость разрушения композитов «керамика/графен». В этом случае композиты с высокой трещиностойкостью должны иметь не слишком малый размер зерен (не меньше нескольких микрометров для композитов «Al2O3/графен»). http://www.rscf.ru/ru/node/v-kompozitakh-iz-keramiki-i-grafena 2.2. Предложена конечно-элементная модель упругой неоднородности в тройном стыке ГЗ. Предполагалось, что эта неоднородность имеет форму округлого выпуклого или вогнутого треугольника с осями симметрии третьего порядка, лежащими в плоскостях ГЗ, образующих тройной стык. В общем случае упругие модули неоднородности отличаются от упругих модулей окружающего ее материала. К такой неоднородности была приложена удаленная нагрузка, соответствующая случаю плоской деформации. Для решения поставленной граничной задачи теории упругости использовано численное моделирование методом конечных элементов с применением программного пакета ANSYS. Подробно исследован случай одноосного растяжения материала с такой неоднородностью, рассчитаны концентрация напряжений на ее поверхности и распределение напряжений вблизи неоднородности по осям ее симметрии. Определен также коэффициент интенсивности напряжений (КИН) в вершине трещины простого отрыва, которая зарождается на поверхности неоднородности и раскрывается вдоль одной из ГЗ. Исследованы зависимости КИН от отношения упругих модулей основного материала и неоднородности, а также от формы неоднородности. Показано, что для «мягкой» неоднородности, модуль сдвига материала которой, например, в 3 раза меньше модуля сдвига материала окружающей матрицы, наибольшая концентрация окружных напряжений достигается в точке примыкания ГЗ, ориентированной перпендикулярно оси растяжения, к межфазной границе и достигает в матрице значений ~2.0 для выпуклой неоднородности и ~2.1 для вогнутой. Для «жесткой» неоднородности, модуль сдвига материала которой, например, в 3 раза больше модуля сдвига материала окружающей матрицы, наибольшая концентрация окружных напряжений достигается в точке пересечения воображаемого продолжения той же ГЗ и межфазной границы и достигает значений ~1.6 для выпуклой неоднородности и ~1.9 для вогнутой. Построены общие зависимости коэффициентов концентрации окружных напряжений в указанных точках от отношения модулей сдвига материалов неоднородности и матрицы. Изучение эффекта концентрации напряжений по мере удаления от межфазной границы показало, что вдоль осей симметрии неоднородности этот эффект усиливается с отклонением ее формы от круглой и достаточно ощутим в области, не превышающей двух радиусов круглой неоднородности. За пределами этой области эффект концентрации напряжений становится пренебрежимо малым. В результате анализа КИН в вершине трещины простого отрыва, которая зарождается на поверхности вогнутой неоднородности и раскрывается вдоль одной из ГЗ, показано, что в случае однородного материала расчетный КИН совпадает с известным значением, а для случая неоднородности в виде полости превышает значение, известное для круглой поры, в ~1.81 раза. Для жестких неоднородностей (с отношением модуля сдвига неоднородности к модулю сдвига матрицы более 5) вклад от разницы упругих модулей выходит на насыщение – коэффициент тарировки принимает постоянное значение ~0.80. 2.3. Проведены теоретические исследования распределения включений восстановленного оксида графена (rGO) в керамике в зависимости от начальных массовых долей rGO. Специально рассмотрены случаи долей 0.25, 0.6 и 2.5 процента, использовавшихся в ходе экспериментальных исследований по проекту. Исследованы два случая: случайного пространственного распределения включений малого размера, сопоставимых по размеру с ГЗ керамики, и неоднородного распределения частиц rGO, включающего в себя также случай включений с размерами, превышающими размер зерна материала. Исследованы диапазоны оптимальных долей включений rGO, обеспечивающих наименьшее количество концентраторов напряжений. Области соединений соседних стыков включений rGO рассмотрены в качестве основных мест зарождения крупных пор. Теоретически исследована зависимость их доли от размера зерна материала. При помощи трехмерного комплекса полиэдров Вороного изучена роль неоднородностей распределения rGO в формировании концентраторов напряжений в материале. Показано, что она является одним из основных факторов, влияющих на количество концентраторов напряжений. Для ее количественной характеристики предложен параметр структурной энтропии. Показано, что малый размер включений и их случайное распределение создают значительно больше возможностей для управления свойствами материала путем изменения массовой доли включений, чем этого можно достичь при значительно более неоднородном распределении достаточно крупных включений. В последнем случае, несмотря на большую пространственную неоднородность, доли тройных стыков с разным числом примыкающих пластин rGO близки друг к другу для любой массовой доли rGO. Локальные скопления rGO возникают уже при малых долях включений, и прочностные свойства материала должны монотонно деградировать с увеличением массовой доли включений. 3) Синтез и экспериментальные исследования образцов керамико-графеновых нанокомпозитов Продолжены эксперименты по синтезу нанокомпозитов «ZrO2-Y2O3-rGO» различными методами с целью выбора оптимального из них. Двумя выбранными методами – искрового плазменного спекания и гарнисажного спекания – синтезирована серия образцов керамики YSZ-rGO, всего 9 составов. Подтверждено, что метод искрового плазменного спекания позволяет получать композиты с сохранённой углеродной фазой для всех предложенных составов. Исследованы микроструктура и электрические характеристики полученных керамических композитов. Подтверждено, что добавки rGO значительно влияют на рост зёрен керамики. Обнаружен эффект значительного снижения сопротивления композитов при достижении 2 мас. процентов rGO. Для системы, спечённой методом гарнисажа, показано, что введение rGO значительно изменяет механические характеристики, причём эффект не коррелирует с аналогичными составами, спечёнными на воздухе. 4) Разработка и тестирование компьютерного кода для атомного моделирования эволюции структуры и механического поведения отдельного графенового нановключения методом молекулярной динамики Предложен программный код для вычислительного пакета MatLab, позволяющий определять атомные конфигурации, соответствующие модели «YSZ-керамика – графен» для последующих расчетов. Разработана программа для вычислительного пакета LAMMPS, позволяющая проводить моделирование процесса сжатия или растяжения системы «YSZ-керамика – графен» под действием внешних нагрузок. Построена тестовая модель. Исследован процесс деформации системы «YSZ-керамика – графен» под действием внешних нагрузок. Получены карты напряженно-деформируемого состояния системы «YSZ-керамика – графен». Описан процесс зарождения и распространения трещин в графеновом включении в системе «YSZ-керамика – графен». Показано, что при растяжении исследуемой системы «YSZ-керамика – графен» внутри графенового включения образуется трещина, которая распространяется перпендикулярно приложенной нагрузке, двигаясь между слоями графена, что в итоге приводит к разделению включения на две части. На основе проведенных тестовых расчетов сделан вывод о необходимости уточнения модели, в частности, корректировки используемых потенциалов межатомного взаимодействия между керамикой и графеновым включением для количественной оценки критических параметров, влияющих на развитие дефектной структуры в системе «YSZ-керамика – графен».

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1) На основе модели, разработанной на втором этапе проекта, предложена уточненная компьютерная модель, описывающая деформацию монолитных нанокерамик на основе шпинелей MgAl2O4. Методом дискретной дислокационной динамики рассчитаны кривые «напряжение-деформация» и найдена зависимость предела текучести от размера зерна. В рамках модели пластическая деформация нанокерамики происходит либо за счет совместного действия зернограничного скольжения и испускания решеточных дислокаций из тройных стыков, либо (для материалов с достаточно большим размером зерна) путем стандартного скольжения решеточных дислокаций, зарождающихся на источниках Франка-Рида. Результаты расчетов продемонстрировали наличие как обратной зависимости Холла-Петча (уменьшение предела текучести с уменьшением размера зерна) в диапазоне малых размеров зерен, так и прямой зависимости Холла-Петча в области больших размеров зерен. Результаты модельных расчетов показывают хорошее совпадение с имеющимися экспериментальными данными. 2) Разработана аналитическая модель, которая описывает как прямую, так и обратную зависимости Холла-Петча для твердости нанокристаллических керамик, а также низкую чувствительность этой твердости к скорости деформации. Модель предсказывает, что переход от прямой к обратной зависимости Холла-Петча связан с увеличением плотности тройных стыков по мере уменьшения размера зерна. Показано, что критический размер зерна для этого перехода зависит от доли тройных стыков, которые при заданном напряжении могут испустить решеточную или зернограничную дислокацию, и может также зависеть от структуры, энергии и химического состава границ зерен. 3) Построена аналитическая модель, описывающая механические свойства композитов «керамика/графен». В рамках модели получена зависимость пористости композитов «керамика-графен» от объемной доли графена. На основе этой зависимости рассчитаны зависимости твердости и вязкости разрушения композитов «керамика-графен» от объемной доли графена. Продемонстрировано существование оптимальной объемной доли графена, соответствующей максимальным значениям твердости и вязкости разрушения. Проведено сравнение расчетных зависимостей пористости, твердости и вязкости разрушения от объемной доли графена для композитов «керамика-графен» с соответствующими экспериментальными данными для керамического композита Al2O3-WC-TiC, упрочненного пластинками графена. Показано, что результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными. 4) С помощью метода конечных элементов проанализирован возможный механизм разрушения в структуре нанокомпозитов "YSZ-керамика-графен" – зарождение трещины внутри графеновой неоднородности, расположенной в равновесном тройном стыке границ зерен. Определено распределение напряжений в окрестности неоднородности и коэффициент интенсивности напряжений трещины. В частности, показано, что в случае жесткой неоднородности вклад коэффициент интенсивности напряжений трещины превышает аналогичную величину для однородного материала примерно в полтора раза. 5) Развита методология проектирования керамических нанокомпозитов на основе дискретных клеточных комплексов и представления сетей их элементов средствами современной теории графов. Используемые в расчетах трехмерные комплексы содержали до нескольких тысяч ячеек, построенных при помощи разбиения пространства полиэдрами Вороного. Концепция конфигурационной энтропии в системе тройных стыков позволила характеризовать и провести исследование высокоэнтропийных структур из включений rGO, далеких от случайных пространственных распределений. Для характеристики плотности локальной концентрации включений rGO, связанной с пористостью и растрескиванием нанокомпозитов, были предложены структурные индексы границ зерен. Моделирование различных структур из включений rGO показало, что их пространственное распределение оказывает более значимое влияние на структурные индексы, чем увеличение их доли. Поэтому, одним изменением доли включений rGO или изменением размера зерна нанокомпозита, очевидно, нельзя добиться оптимальных параметров пористости, прочности и электропроводности. Для каждого значения доли включений свои собственные различные структуры их пространственного распределения дают оптимальные физико-механические характеристики нанокомпозита. Согласно нашим расчетам, наилучшей возможной стратегией получения нанокомпозитов керамика-rGO, обладающих повышенными физико-механическими характеристиками, является увеличение доли rGO чуть выше 1 массового процента с одновременным увеличением введенного параметра нормированной конфигурационной энтропии до его средних значений около 0,3-0,4. Случайное распределение включений может быть оптимальным выбором только при их малых массовых долях (меньше 1 процента). Численное моделирование различных текстур и массовых долей включений rGO показало, что структурированием этих включений можно почти на порядок увеличить проводимость сети включений rGO. 6) Продолжено изучение электрических и механических характеристик композитов ZrO2-Y2O3-rGO, полученных методами искрового плазменного спекания и спекания в гарнисаже. Для образца с 2 мас. процентами rGO, изготовленного искровым плазменным спеканием, получена смешанная электрон-ионная проводимость. Изучена термоэволюция проводимости при нагреве в «окислительной» атмосфере азота (с остаточным парциальным давлением кислорода 10-3 атм.) и в инертной атмосфере аргона (с остаточным парциальным давлением кислорода 10-5 атм.). Показано, что из-за недостижения фазового равновесия во время SPS процесса даже в инертной атмосфере происходит постепенная потеря электронной проводимости из-за роста зёрен. Предложена модель процесса с учётом формирования полупроводниковых (по отношению к переносу электрона) участков rGO|YSZ|rGO. Показано, что при спекании в гарнисаже имеет место конкуренция между SiC (средний слой гарнисажа) и графеном, введённым в межзёренное пространство. На основании микроструктурных исследований определен оптимум содержания rGO в районе 1 мас. процента. Определена микротвёрдость полученных композитов (HV0.3), а также предыдущих серий керамики, спечённых на воздухе и в глубоком вакууме. Показано, что ключевым фактором, влияющем на микротвёрдость, является отсутствие достижения фазового равновесия и гомогенности. Наибольшие значения (с наименьшими погрешностями) для всех составов наблюдаются для образцов, полученных искровым плазменным спеканием. Рекордное значение 14,19 ГПа получено для образца с 1 мас. процентом rGO, что несколько превосходит имеющиеся в литературе данные для композитов на основе кубического ZrO2. При дальнейшем увеличении содержания rGO до 2-2,5 мас. процентов микротвёрдость уменьшается на 10-15 процентов. Таким образом, создание нанокомпозита на основе YSZ керамики с наполнителем в виде rGO допускает возможность сохранения приемлемой твердости полученного функционального материала с улучшенной электропроводностью. 7) Получен массив данных компьютерного моделирования методом молекулярной динамики о растяжении, сжатии и сдвиге фрагмента композита «YSZ-керамика-графен» для разных значений температуры и скорости деформаций. Построены карты напряжений в поперечном сечении модельного образца. Показано, что в рамках изучаемой модели при малых и средних деформациях не наблюдается разрушение или расслоение графенового нановключения. При зарождении в графеновом нановключении поры размером порядка 5 ангстрем при деформациях растяжением образуется трещина, которая распространяется перпендикулярно приложенной нагрузке, двигаясь между слоями графена, что в итоге приводит к разделению включения на две части. Повышение температуры снижает взаимодействие между листами графена, что приводит к зарождению трещины при зарождении пор меньшего размера. 8) На основе проведенных в рамках данного проекта теоретических и экспериментальных исследований нанокомпозитов «YSZ-керамика-графен» можно сделать общее заключение о необходимости выбора такой технологии получения композита, которая обеспечивает по возможности оптимальное (близкое к однородному) распределение rGO в матрице, и поиска для этой технологии оптимальной концентрации rGO, обеспечивающей сбалансированное сочетание требуемых структурных, функциональных и механических свойств. 9) Дальнейшая разработка объемных функциональных нанокомпозитов «YSZ-керамика-графен» достаточно перспективна и должна быть продолжена. Исследования по совершенствованию технологии их синтеза должны быть направлены на устранение таких вредных факторов как выгорание углеродной добавки во время спекания и во время электрохимических исследований, возможная диффузия гарнисажа внутрь объёма керамики, отсутствие установления фазового равновесия, различия исходных характеристик порошков-прекурсоров и т. д.