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 23-19-00236
НазваниеПластичность и прочность конструкционных керамик с микро- и наноразмерной структурой при повышенных температурах
РуководительГуткин Михаил Юрьевич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиноведения Российской академии наук, г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2025 г. |
Конкурс№80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций
Ключевые словавысокотемпературные керамики, пластичность, прочность, трещиностойкость, микротвердость, разрушение, деформация, наноструктура, микроструктура, стабилизированный диоксид циркония, зерно керамики, прекурсор керамики, дисперсность, золь-гель синтез, лиофильная сушка
Код ГРНТИ30.19.57
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Научный проект направлен на теоретическое и экспериментальное описание механических характеристик (пластичности, прочности, трещиностойкости, микротвердости и др.) перспективных высокотемпературных керамических материалов с микро- и наноструктурой. В частности, в рамках проекта предполагается получение экспериментальных образцов высокотемпературных керамик на основе твердых растворов диоксида циркония; экспериментальное, компьютерное и теоретическое исследование их структуры и механических свойств; выявление фундаментальных связей между параметрами получения образцов высокотемпературных керамик (дисперсностью исходных прекурсоров, методами прессования и спекания), их структурными характеристиками и механическими свойствами; рекомендации по совершенствованию технологии синтеза высокотемпературных керамик.
Благодаря своим уникальным свойствам – сверхвысокой температуре плавления и устойчивости к окислению при повышенных температурах – высокотемпературные керамики на основе диоксида циркония обладают большим потенциалом использования в качестве сверхвысокотемпературных конструкционных и термозащитных материалов в аэрокосмической отрасли, атомной энергетике и машиностроении. Вместе с тем, такие материалы часто имеют низкую трещиностойкость. Поэтому важной задачей является поиск способов увеличения пластичности, прочности и трещиностойкости высокотемпературных керамик при повышенных температурах (до 1300 С) и выявление взаимосвязей между параметрами получения таких материалов, их структурой и механическими свойствами. Целенаправленный поиск способов улучшения механических свойств высокотемпературных керамик требует разработки теоретических моделей, описывающих механизмы пластичности, прочности и трещиностойкости таких материалов, и экспериментальных исследований, нацеленных на проверку и уточнение этих моделей. Все сказанное определяет актуальность предлагаемого комплекса теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна поставленной задачи определяется как впервые проводимым комплексным изучением механического поведения материалов на основе диоксида циркония, так и созданием новых керамических композитов на основе оксида никеля с добавкой стабилизированного диоксида циркония. Комплексное теоретическое исследование таких материалов впервые будет объединять разработку и анализ теоретических моделей и двухуровневое компьютерное моделирование, включающее в себя построение атомных моделей методом молекулярной динамики и континуальных микро- и наномасштабных моделей упругого и упругопластичного поведения материала методом конечных элементов. Впервые проведение таких комплексных теоретических исследований будет тесно увязываться с режимами получения образцов изучаемых материалов и с результатами их структурных исследований и механических испытаний. Эта информация будет получена как из имеющихся литературных источников, так и из результатов собственных экспериментальных исследований методами высокотемпературных механических испытаний на трехточечный изгиб в области температур от 25 до 1300 С, исследования прекурсоров и керамик методами дифференциальной сканирующей калориметрии, лазерной седиментографии, снятия кривых адсорбции-десорбции, рентгенофазового анализа, электронной микроскопии высокого разрешения и рентгенодисперсионной спектроскопии.
Проект будет выполняться в Институте проблем машиноведения Российской академии наук под руководством доктора физ.-мат. наук М. Ю. Гуткина, занимающего одно из лидирующих мест в мировой науке в области микромеханики дефектов и теоретического описания деформационного поведения наноразмерных и наноструктурных материалов (общее число цитирований в базе данных Scopus – 3885, индекс Хирша – 32, число статей, опубликованных в 2018-2022 гг. в изданиях, индексируемых в базе данных Scopus – 51).
Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты проекта будут представлены теоретическими (аналитическими и компьютерными) моделями, описывающими механическое поведение высокотемпературных керамических материалов в широком температурном диапазоне, а также связанными с этими моделями результатами экспериментальных исследований по получению соответствующих образцов высокотемпературных керамик, описанию их структуры и определению их механических характеристик. В частности, ожидается разработка теоретических моделей, описывающих пластичность, прочность и трещиностойкость высокотемпературных керамик, и получение массива теоретических данных, полученных в результате анализа этих моделей, а также построение компьютерных конечно-элементных и молекулярно-динамических моделей механического поведения высокотемпературных керамик с получением массива расчетных данных и примеров визуализации упруго-пластических полей и атомных механизмов пластической деформации и разрушения исследуемых керамик. В рамках экспериментальной части проекта ожидается получение синтезированных образцов исследуемых высокотемпературных керамических материалов и результатов комплексного экспериментального изучения фазового состава, структуры и свойств этих образцов методами дифференциальной сканирующей калориметрии, лазерной седиментографии, снятия кривых адсорбции-десорбции, рентгенофазового анализа, электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии. Планируется определение механических свойств образцов этих материалов в процессе механических испытаний на микротвердость, одноосное сжатие и трехточечный изгиб в интервале температур 25-1300 С. Полученные экспериментальные результаты будут сравниваться с предсказаниями разработанных теоретических и компьютерных моделей. На основе такого сравнения будут выявлены фундаментальные связи между параметрами получения образцов новых высокотемпературных керамик, их структурными характеристиками и механическими свойствами (пластичностью, прочностью, твердостью и трещиностойкостью). Будут предложены рекомендации по совершенствованию технологии их синтеза.
Предполагается, что результаты проекта будут иметь высокую научную и общественную значимость. В частности, ожидается, что в результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований будет получен большой и ценный сам по себе массив новой научной информации, от фундаментальных основ твердости, прочности, пластичности и трещиностойкости новых перспективных высокотемпературных керамических материалов, включая сведения об их структурных особенностях, до практических рекомендаций по их синтезу и использованию в различных областях материаловедения. Предполагается, что эти результаты будут соответствовать передовому мировому уровню, а возможно, и опережать его, и что их можно будет использовать для создания новых конструкционных высокотемпературных керамических материалов для применения в аэрокосмической отрасли, атомной энергетике и машиностроении.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Начата разработка теоретических и компьютерных моделей, позволяющих оценить предел прочности высокотемпературных керамик при различных температурах. В частности, построены и проанализированы две аналитические модели и конечно-элементная модель, а также начата разработка молекулярно-динамической модели.
В частности, предложена модель, описывающая температурную зависимость вязкости разрушения высокотемпературных керамик. Рассмотрен модельный керамический материал, содержащий трещину нормального отрыва. Исследованы три режима разрушения: хрупкое разрушение, квазихрупкое разрушение, характеризующееся испусканием дислокаций из вершины трещины, и вязкое разрушение в результате зарождения и роста пор вблизи вершины трещины и их слияния с трещиной. Показано, что при относительно низких температурах керамический материал разрушается хрупко. При этом вязкость разрушения керамики уменьшается с ростом температуры. При переходе от хрупкого к квазихрупкому разрушению происходит увеличение вязкости разрушения с ростом температуры в результате испускания дислокаций и затупления трещины. При дальнейшем росте температуры происходит переход к вязкому разрушению, характеризующийся уменьшением вязкости разрушения с ростом температуры. Таким образом, показано, что температурная зависимость вязкости разрушения может иметь немонотонный характер и давать всплески в некотором температурном диапазоне. Это объясняет экспериментальные наблюдения таких температурных зависимостей в высокотемпературных керамических композитах на основе ZrB2.
Разработана теоретическая модель нового механизма пластической деформации в высокотемпературной керамике с аморфными межкристаллитными прослойками для широкого диапазона температур деформации. В рамках модели пластическая деформация реализуется за счет зарождения и развития включений жидкоподобной фазы в аморфных межкристаллитных прослойках и скольжения решеточных дислокаций, испущенных из тройных стыков таких прослоек, содержащих включения жидкоподобной фазы. На примере высокотемпературной нанокерамики \alpha-Al2O3 рассчитаны критические напряжения для образования включений жидкоподобной фазы, эмиссии решеточных дислокаций из тройных стыков аморфных межкристаллитных прослоек и скольжения решеточных дислокаций вдоль плоскостей базисного и призматического скольжения в широком диапазоне температур деформации от 300 К до 1500 К. Определены диапазоны значений внешнего сдвигового напряжения и температуры деформации, при которых скольжение испущенных решеточных дислокаций внутри зерен энергетически выгодно. Показано, что существует определенная критическая температура деформации, ниже которой базисное скольжение предпочтительнее призматического, а выше которой призматическое скольжение может развиваться наравне с базисным.
В рамках конечно-элементного моделирования подготовлена расчетная модель, описывающая межзеренное разрушение керамики за счет роста трещины из поры, расположенной в тройном стыке границ зерен, с целью изучения условий развития хрупкого и вязкого разрушения при различных температурных режимах. Рассмотрены следующие сценарии микроразрушения: 1) хрупкое разрушение за счет роста трещины из поры; 2) вязкое разрушение, сопровождающееся эмиссией дислокаций из вершины трещины или поры. Показано, что при относительно низких температурах (Т < 20 C) реализуется полностью хрупкое разрушение, связанное с высоким уровнем локальных напряжений в окрестности трещин, превышающим критическое напряжение для их роста. При средних температурах (20 C < Т < 500 C) наиболее предпочтительной реакцией материала на внешнюю нагрузку является эмиссия дислокаций – реализуется сценарий квазихрупкого разрушения. В этом случае большую роль играет эффект затупления трещины, при котором локальные напряжения в окрестности трещин релаксируют за счет значительной эмиссии дислокаций из их вершин. При относительно высоких температурах (Т > 500 C) критическое напряжение активации скольжения дислокаций становится меньше локального напряжения на границе поры. Это означает, что при высоких температурах характер разрушения в значительной степени определяется эмиссией дислокаций из пор, образующихся при изготовлении керамик. В этом случае ожидаются значительные пластические деформации перед разрушением.
Начата разработка компьютерной модели множественного растрескивания керамик с применением методологии дискретных комплексов. Развитая в рамках предыдущего проекта модель керамики дополнена возможностью создания волокнистых поликристаллических структур и цепей из элементов разной размерности (зерен, границ и тройных стыков зерен) ассоциирующихся с включениями и дефектами строения, такими как поры. Для программной реализации написан код на языке С++ и использован метод случайных блужданий с задаваемыми параметрами 1) числа цепей, 2) средней длины цепи и 3) дисперсии распределения цепей по размерам. Для численной реализации теоретической модели и высокопроизводительных вычислений с использованием трехмерных моделей керамического материала, содержащего десятки тысяч зерен, использован свободно распространяемый код PCC Processing Design, модифицированный для целей проекта. Для моделирования множественного растрескивания внедрена вероятностная модель типа Изинга, позволяющая определять наиболее вероятную равновесную конфигураций микротрещин и их количество в зависимости от внешнего действующего напряжения, длины макротрещин и внутренних концентраторов напряжений. Первые результаты расчетов свидетельствуют о значимом вкладе сегрегаций по границам зерен в вязкость разрушения циркониевых керамик.
Разработан ряд атомистических моделей высокотемпературных керамик, необходимых для проведения моделирования с помощью теории функционала плотности и методом молекулярной динамики. Разработан компьютерный код для атомного моделирования деформации высокотемпературных керамик в рамках стандартного вычислительного пакета LAMMPS.
В экспериментальной части проекта получен массив опытных данных о фазовом составе, структуре и дисперсности прекурсоров, полученных золь-гель синтезом. Из порошков различной дисперсности изготовлены образцы высокотемпературной керамики. Получены данные о ее структуре и относительной плотности. Исследована зависимость ее прочности на изгиб от дисперсности исходных порошков прекурсоров. Для высокотемпературных испытаний изготовлены керамики с аморфным связующим из магниево-боратного стекла, исследована их структура, плотность и прочность на сжатие и изгиб в интервале температур 25-1300 С. Получена однофазная керамика из кубического стабилизированного диоксида циркония с относительной плотностью более 99%. Механические испытания на сжатие показали, что для керамик, изготовленных из прекурсоров с размерами частиц 150-260 нм, наблюдаются самые высокие значения прочности на сжатие: (430-450)±22 МПа. Дальнейшее увеличение размера агломератов до ~9 мкм приводит к падению значений прочности керамик до 241±15 МПа. Использование нового неорганического связующего на основе стекла, несомненно, перспективно, поскольку это позволило бы увеличить температурный диапазон эксплуатации керамики, изготовленной с использованием добавок, по сравнению с существующими данными по органическому связующему, используемому для производства циркониевой керамики с помощью аддитивных технологий.
Публикации
1. Гуткин М.Ю.,Скиба Н.В. Emission of lattice dislocations from triple junctions of grain boundaries in high-temperature ceramics with amorphous intercrystalline layers Materials Physics and Mechanics, - (год публикации - 2023)
2. Красницкий С.А.,Шейнерман А.Г., Гуткин М.Ю. Brittle vs ductile fracture behavior in ceramic materials at elevated temperature Materials Physics and Mechanics, - (год публикации - 2023)
3. Манякин П.Н., Шалагаев С.Г., Арчаков И.Ю., Конаков Я.В., Курапова О.Ю., Конаков В.Г. In-situ high-temperature bending strength measurement of YSZ ceramics manufactured using novel B2O3-based glass binder Materials Physics and Mechanics, - (год публикации - 2023)