Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Исследована возможность получения ультрадисперсных композитных материалов Cu/SiC с управляемым соотношением компонентов плазмодинамическим методом и их консолидации в объемные керамические образцы. Решение указанных задач позволило разработать научно-технические основы изготовления высокоплотной композитной керамики Cu/SiC, объединяющей в себе преимущества компонентов, включая повышенные физико-механические характеристики карбида кремния и теплофизические характеристики меди. В рамках реализации проекта разработаны научно-технических основы плазмодинамической технологии получения ультрадисперсных композитных материалов с керамической матрицей на основе карбида кремния и меди (Cu/SiC) с требуемым соотношением компонентов и возможностью регулирования дисперсности. Выполнены мероприятия по изготовлению основных узлов и проведена модернизация медной и графитовой системы коаксиального магнитоплазменного ускорителя. Получение композитных материалов из разнородных компонентов потребовало поиска оптимальной системы введения прекурсоров в плазму дугового разряда. Установлено, что наилучшим способом является инициирование разряда за счет использования углеродной перемычки, что влияет на вид пробоя и эффективность возгонки закладываемых прекурсоров. Изучено влияние геометрических и энергетических параметров процесса при работе в медной и графитовой электродных системах. При использовании медного электрода-ствола установлено влияние его геометрических параметров на динамические характеристики плазменной струи (скорость) и на электроэрозионную наработку меди. Установлена зависимость, позволяющая определять массу дисперсного медного материала, нарабатываемого электроэрозионным путем в процессе синтеза, и определять энергетические и конструктивные характеристики плазмодинамической системы для получения композитных материалов Cu/SiC в дисперсном виде с требуемым соотношением меди и карбида кремния. Экспериментально установлено, что стволы меньшего диаметра обеспечивают более высокую наработку меди при меньших зарядных параметрах накопителя и величинах протекающих токов, а также позволяют достичь больших скоростей плазменных потоков. Разработана и изготовлена конструкция магнитоплазменного ускорителя, позволяющая предотвращать разрушение и электроэрозию ствола, а также загрязнения продукта примесными фазами. С использованием данной конструкции экспериментально определены параметры системы, позволяющие получать продукт плазмодинамического синтеза с наибольшим массовым выходом карбида кремния β-SiC (до 99 %). Экспериментально доказано, что при использовании медной и графитовой электродных систем возможен путь реализации получения композитных материалов Cu/SiC – за счёт их отдельного синтеза и механического смешивания в требуемом соотношении. Экспериментально исследован подход получения дисперсного материала Cu/SiC с требуемым соотношением компонентов за счет реализации единого процесса плазмодинамического синтеза. В рамках работ по синтезу таких материалов предложено и реализовано несколько способов введения прекурсоров в зону химической реакции. Во-первых, предложено использование медной электродной системы, благодаря чему медная матрица нарабатывается электроэрозионным путем преимущественно с внутренней поверхности медного электрода-ствола, а армирующий компонент (карбид кремния) закладывается в канал формирования плазменной структуры. Во-вторых, реализован вариант с использованием графитовой электродной системы с закладкой в канал формирования плазменной структуры дисперсных меди и карбида кремния. Оба пути реализации синтеза изучены и обнаружено существенное влияние используемых подходов на характеристики синтезируемых ультрадисперсных материалов. При работе с медными электродами-стволами установлено, что в медной электродной системе при закладке в канал формирования плазменной структуры коммерческого карбида кремния наблюдаются повышенные значения эрозии электрода ствола. Карбидокремниевая плазма оказывает большее электроэрозионное воздействие на внутреннюю поверхность медной трубы, что приводит к большей наработке медного прекурсора и нарушению заданного массового соотношения «армирующий компонент/матрица». Поэтому потребовалось проведение исследований по определению влияния системных параметров (материал электродов ускорителя – углерод или медь, способ введения прекурсоров) и режимов работы ускорителя (энергетика процесса, длительность импульса электропитания, параметры газовой атмосферы в камере-реакторе) на фазовый состав и гранулометрический состав синтезируемых композитных материалов Cu/SiC. Установлено влияние дисперсности закладываемых прекурсоров на электроэрозионную наработку медных электродов-стволов. Исходя из полученных результатов, наиболее успешным является плазмодинамический синтез композита Cu/SiC при использовании в качестве прекурсора гексагонального карбида кремния alfa-SiC высокой дисперсности (SiC F1200), что обеспечивает получение композитов с фазовым составом, близким к запланированному согласно данным рентгенофазового анализа и энергодисперсионной спектроскопии. С использованием указанного прекурсора успешно синтезированы композиты Cu/SiC с различной массовой добавкой карбида кремния (5, 10, 15 и 20 масс. %). Методами электронной микроскопии установлено достаточно широкое распределение частиц по размерам (от единиц нм до 50 мкм) в составе продуктов плазмодинамического синтеза. Установлено, что управлять дисперсностью конечных композитов возможно за счёт увеличения доли закладываемого SiC. Предложены феноменологические модели формирования крупных медных частиц размерами свыше 10 мкм. Определены условия плазмодинамического синтеза дисперсного композитного материала Cu/SiC. При использовании коаксиального магнитоплазменного ускорителя с медной электродной системой при его питании от емкостного накопителя энергии с емкостью конденсаторов C = 7,2 мФ, U(зар) = 3,0 кВ и зарядной энергии W(зар) = 32,4 кДж и закладывании в канал формирования плазменной структуры гексагонального карбида кремния alfa-SiC 1200 меш со средним размером 5-7 мкм происходит формирование материала Cu/SiC с требуемым содержанием армирующего компонента в составе композита с учетом электроэрозии медного электрода-ствола. Изучена возможность получения композитных керамических материалов Cu/SiC методом искрового плазменного спекания. Установлены режимы работы, позволяющие синтезировать объемные образцы с плотностью более чем 97 % и малой пористостью. Синтезированные композитные материалы на основе карбида кремния и меди характеризуются сочетанием повышенных физико-механических и теплофизических свойств. По результатам анализа данных измерения теплофизических характеристик композитов Cu/SiC установлено, что наибольшие значения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности соответствуют объемному материалу, полученному при температуре спекания 750 град C. Исследовано изменение свойств смачиваемости, текстуры и элементного состава поверхностей керамических образцов после их модификации различными способами обработки и их комбинацией: абразивная обработка, наносекундное лазерным излучение, магнетронное напыление хрома, низкотемпературный отжиг. Показана возможность управлять свойствами смачиваемости от гидрофильности (контактный угол уменьшился до 9°) до гидрофобности (контактный угол увеличился до 135°) за счет лазерной модификации поверхностей. Разработан графоаналитический способ прогнозирования текстуры на поверхности керамического материала, образованной импульсным лазерным излучением, в виде упорядоченных канавок в условиях продольно-поперечного наложения световых пятен. Результаты работ по Проекту опубликованы в виде 2 статей Q1 в журнале Surface and Coatings Technology и апробированы на 5 конференциях.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Разработана методика управления фазовым составом и микроструктурой дисперсных композитных материалов Cu/SiC. Проведены мероприятия по реставрации основных узлов коаксиального магнитоплазменного ускорителя и изготовлению расходных материалов электродной системы. Проведены работы по получению металломатричного композита Cu/SiC в системе плазмодинамического синтеза путем отдельного синтеза медного порошка и порошка SiC при использовании медной и графитовой электродных систем, соответственно, с последующим их перемешиванием. Проведены серии экспериментов по плазмодинамическому синтезу (наработке) дисперсного композитного материала Cu/SiC в системе с медными и графитовыми электродами. Определено, что в системе с графитовыми электродами не удается достичь задачи получения композита Cu/SiC и формируются преимущественно силициды меди в присутствии углерода, в то время в системе с медными электродами показана возможность формирования композитных материалов Cu/SiC с регулируемым массовым содержанием SiC и полимодальным распределением частиц по размерам, когда медь присутствует в виде сферических частиц размерами от единиц до 100 мкм и в виде наночастиц, а карбид кремния – в виде наночастиц. Получены основные закономерности получения объемных композитных материалов с металлической матрицей Cu/SiC методом искрового плазменного спекания с различным фазовым составом и микроструктурой. Проведены экспериментальные исследования по получению объемных металломатричных композитов с металлической матрицей Cu/SiC, в частности при добавлении 10 масс. % карбида кремния при температурах спекания 700, 750, 800 и 850 °C и при содержании карбида кремния 5, 10, 15, 20 масс. % при температуре спекания 850 °C. Анализ полученных образцов показал формирование плотной (до ~92 %) однородной мелкозернистой композитной структуры. Экспериментально доказано, что исходная полимодальная структура дисперсного материала положительным образом влияет на плотность объемных композитных образцов, так как частицы мелкой фракции заполняют пространство между частицами крупной фракции, а функцию армирующей фракции в составе объемного композита играют нанодисперсные частицы SiC. Также проведены экспериментальные работы по искровому плазменному спеканию композитных материалов на основе композитного дисперсного продукта Cu-Si, полученного плазмодинамическим методом в системе с графитовыми электродами, показавшие существенные фазовые и структурные изменения, происходящие в материале, которые привели к механическому разрушению образцов. Разработаны рекомендации для получения объемных композитных материалов Cu/SiC с заданными механическими и теплофизическими свойствами. Анализ полученных образцов показал, что формирование плотной (до ~92 %) однородной мелкозернистой композитной структуры возможно при температуре спекания 850 °C и содержании карбида кремния 10%. В таком случае демонстрируются максимальных физические свойства материала: микротвердость (Hv = 88,4 ± 3,4 МПа), модуль Юнга (E = 159,63 ГПа), коэффициента теплопроводности (λ = 223 Вт/м·К). Определены актуальные области применения получаемых композитных объемных изделий Cu/SiC для решения задач интенсификации теплоотвода, нуклеации, увеличения коэффициента теплоотдачи и достижения наибольшей эффективности теплообмена, в том числе в условиях воздействия высоких температур. Разработана режимная карта для создания текстур лазерным излучением наносекундной длительности на поверхностях композитных материалов. Режимная карта позволяет определить параметры лазерного излучения для создания текстуры необходимой конфигурации на поверхностях Cu-SiC. Установлено влияние температуры спекания композитных материалов на свойства смачивания их поверхностей, обработанных шлифовкой, полировкой и лазерным излучением. Непосредственно после лазерной модификации поверхности композитных материалов характеризовались супергидрофильностью. Со временем свойства смачивания ухудшались при хранении образцов в воздушной среде в лабораторных условиях. По результатам измерения статических контактных углов получена временная зависимость свойств смачивания, которая аппроксимирована степенной функцией. Установлено, что в условиях стабилизации модифицированные лазерным излучением композитные материалы демонстрируют гидрофобные и близкие к супергидрофобным свойства смачивания с контактными углами 98,2–149,5 градусов на анизотропной и 125,8–143,6 градусов на упорядоченной текстуре. Свойства смачивания полностью стабилизировались через 53–73 дня после текстурирования на анизотропной текстуре и через 13 дней на упорядоченной текстуре. Установлено, что гистерезис контактного угла в условиях стабилизации свойств смачивания не превышал 10 и 4 градусов на анизотропной и упорядоченной текстурах, соответственно. Сделан вывод о том, что инверсия свойств смачивания поверхностей Cu-SiC, модифицированных лазерным излучением наносекундной длительности, обусловлена адсорбцией углеводородных соединений из окружающей среды. По результатам проведенных исследований динамических свойств жидкости на полированных образцах композитных материалов установлено, что скорость перемещения фронта жидкости зависит от свойств смачивания поверхности: чем гидрофильнее поверхность, тем выше скорость. На модифицированных лазерным излучением поверхностях композитных материалов при малом расходе жидкости скорость перемещения фронта жидкости также зависит от свойств смачивания: чем хуже смачивается поверхность, тем меньше скорость. По результатам анализа значений скорости фронта жидкости и динамических контактных углов установлено, что при низких расходах жидкости (5 мкл/мин) степень гидрофобизации не влияет на процесс перемещения фронта жидкости. Последнее объясняется низкими скоростями, при которых жидкость свободно проникает в микро- и нано-размерные углубления, вытесняя находящийся там воздух. Поэтому, несмотря на гидрофобные и близкие к супергидрофобным свойства образцов, динамические контактные углы, зарегистрированные на их поверхностях, не превышают 110–120 градусов до стабилизации и в условиях стабилизации свойств смачивания, соответственно. При больших расходах жидкости (100 мкл/мин), скорость течения существенна, жидкость не успевает заполнять углубления, поэтому фронт жидкости движется по «воздушной подушке», образованной в неровностях. Последнее объясняет рост скорости перемещения жидкости после стабилизации свойств смачивания, а также то, что на поверхностях, характеризующихся худшими свойствами смачивания, в условиях стабилизации скорости значительно выше. Сделан вывод о том, что участки поверхности, содержащие в углубления «воздушную подушку», снижают сопротивление движению фронта жидкости. Кроме того, в этом случае (100 мкл/мин) динамический контактный угол значительно выше, чем угол при 5 мкл/мин. Лазерная модификация наносекундной длительности поверхностей композитных материалов Cu-SiC за счет развитой многомодальной шероховатости позволяет изменять свойства смачивания в широких диапазонах от экстремального состояния (супергидрофильности) до гидрофобного состояния; получить однородную по элементному составу поверхность; изменять динамические характеристики растекания малых объемов жидкостей (скорости перемещения фронта жидкости более чем в три раза, натекающих динамических контактных углов в диапазоне 30 градусов). Данные достоинства и малый гистерезис контактного угла обуславливает возможность применения Cu-SiC в качестве конструкционного материала для микрофлюидных устройств, систем разделения и смешения микро- и нанолитровых жидкостей.