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 20-79-10086
НазваниеРазработка научных основ получения высокопрочных металломатричных композиционных материалов с применением технологии прямого лазерного выращивания
РуководительПромахов Владимир Васильевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет", Томская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2023 - 06.2025 |
Конкурс Конкурс 2023 года на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (50).
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые словаМеталломатричные композиционные материалы, новые производственные технологии, структура, свойства, фазовый состав
Код ГРНТИ29.19.04
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В рамках настоящего Проекта-2023 предлагается разработка научных основ получения новых наноструктурных композиционных материалов на основе системы (Al–Ti)–TiB2 путем сочетания оригинальных методов и режимов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и аддитивных технологий. Оригинальные режимы СВС были разработаны в рамках Проекта-2020, а настоящий проект является логическим продолжением Проекта-2020. Выбранные подходы актуальны для быстрого внедрения новых материалов в высокотехнологичные сектора экономики.
Оборонно-промышленный комплекс, авиастроние и автомобилестроение нуждаются в материалах, способных сочетать в себе высокие физико-механические свойства и низкие весовые показатели. Решением этих проблем может стать разработка металломатричных композиционных материалов на основе системы (Al–Ti)–TiB2, полученных сочетанием методов СВС и аддитивного выращивания. Анализ современных данных показал, что среди различных видов композиционных материалов именно диборид титана и композиты на его основе обладают наивысшим показателем по критерию бронестойкости, который включает в себя сочетание модуля упругости, твердости, предела прочности, температуры плавления и плотности. Такие композиты могут быть использованы при производстве средств индивидуальной бронезащиты (СИБ) с классом стойкости до 6А по ГОСТ 50744-95. В настоящее время на создание материалов с высокой баллистической стойкостью и минимальной массой направлено большинство работ в этой области. Именно требование минимизации массы приводит исследователей к использованию в СИБ нетрадиционных материалов. Так, в СИБ от низкоэнергетических средств поражения – револьверных и пистолетных пуль широкое распространение получила текстильная броня из высокомодульных и высокопрочных полиарамидных и полиэтиленовых волокон. Несмотря на высокие динамические характеристики текстильных бронепакетов и современный уровень разработок в области текстильной брони, сочетанием исключительно тканевых структур невозможно добиться класса защиты выше 2-го согласно ГОСТ 50744-95. Таким образом, создание легких высокоэффективных защитных структур, обеспечивающих стойкость по 5а и 6а классу по ГОСТ Р 50744-95 для элементов средств СИБ, навесной брони автотранспортных средств, мобильных робототехнических комплексов и летательных аппаратов является приоритетной задачей, решение которой возможно обеспечить только за счет применения высокотвердых композиционных материалов.
Возникает потребность в проведении комплексных исследований параметров СВ-синтеза, фазового состава и структуры композиционных материалов (Al–Ti)–TiB2. Необходимо всестороннее исследование параметров структуры и свойств композиционных материалов на основе системы (Al–Ti)–TiB2, полученных с применением классических методов порошковой металлургии и аддитивных технологий. Необходимо оценить параметры бронестойкости полученных материалов и провести моделирование динамического разрушения таких композитов.
Исполнители Проекта обладают необходимыми компетенциями и опытом для успешной его реализации. В распоряжении коллектива имеется все необходимое экспериментальное и аналитическое оборудование Томского государственного университета. Комплекс полученных научных данных ляжет в основу не менее чем 9 публикаций в высокорейтинговых журналах Q1 и Q2 и будет представлен на профильных конференциях.
Ожидаемые результаты
Успешное решение задач проекта позволит получить следующие научные результаты:
- Будут получены данные о процессах СВ-синтеза, фазовом составе и структуре композиционных материалов, синтезированных из порошковой смеси Al – Ti – B, в зависимости от состава исходной порошковой системы, а также от продолжительности ее предварительной механической активации;
- Будут получены данные о процессах подготовки объёмных образцов классическими методами порошковой металлургии (холодного изостатического прессования) из полученных композиционных СВС-порошков, а также данные о процессах их вакуумного спекания при различных условиях: температура спекания и время выдержки;
- Будут получены данные о закономерностях формирования структурно-фазового состояния композиционных материалов на основе системы (Al–Ti)–TiB2;
- Будут представлены данные о механических свойствах композиционных материалов системы (Al–Ti)–TiB2: твердость, прочность, пластичность, износостойкость, коэффициент бронестойкости и др. в зависимости от их фазового состава и структуры материалов;
- На основании всех полученных результатов будет определен оптимальный состав и параметры подготовки исходной порошковой смеси Al – Ti – B, параметры самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и измельчения его продуктов в порошок, а также параметры и условия спекания объёмных образцов;
- Будут определены параметры процессов получения образцов с применением аддитивных технологий;
- Будут получены данные о способах наиболее полного удаления полимерного связующего химическими, термическими и термохимическими способами;
- Будут представлены результаты исследования фазового состава, структуры и механических свойств композиционных материалов системы (Al–Ti)–TiB2, полученных методом аддитивного выращивания высоконаполненными полимерами с последующим спеканием. Кроме того будут представлены результаты их сравнения с композитами системы (Al–Ti)–TiB2, полученными классическими методами;
- Будет получен комплекс данных по моделированию динамического разрушения композиционных материалов системы (Al–Ti)–TiB2. С учетом полученных данных будут разработаны рекомендации по оптимизации структуры материалов;
- На основании всех данных, полученных при реализации Проекта 2023, будут разработаны научные основы получения композиционных материалов системы (Al–Ti)–TiB2 методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и аддитивного выращивания высоконаполненными полимерами с последующим спеканием;
- Будет представлено не менее 2 докладов на международных и всероссийских конференциях; подготовлен материал для СМИ и опубликованы статьи в высокорейтинговых научных журналах общим количеством не менее 9.
Предлагаемый Проект-2023 имеет высокое научное и прикладное значение, направлен в конечном итоге на разработку новых композиционных материалов, изделия из которs[ будут обладать уникальным сочетанием высоких физико-механических свойств и низкими весовыми показателями. Потенциал свойств разрабатываемых композитов позволит создавать высокоэффективные структуры средств индивидуальной бронезащиты, обеспечивающих стойкость по 5а и 6а классу по ГОСТ Р 50744-95. Применяемые оригинальные подходы к получению разрабатываемого материала лежат в основе научного единства с ранними исследованиями по Проекту-2020. При этом формат научного Проекта-2023 является оригинальным с позиции научной новизны и практической значимости запланированных результатов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проведена подготовка порошковых смесей Al – Ti – B с концентрацией алюминия от 10 до 70 масс. %: 10 масс. % Al + 90 масс. % (Ti + 2B), 30 масс. % Al + 70 масс. % (Ti + 2B), 50 масс. % Al + 50 масс. % (Ti + 2B), 60 масс. % Al + 40 масс. % (Ti + 2B), 70 масс. % Al + 30 масс. % (Ti + 2B). Разработана и реализована методика подготовки смесевых порошковых композиций. Проведена серия экспериментальных работ, направленных на получение композиционных материалов на основе системы Al – Ti – B методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из порошковых смесей Al – Ti – B. Проведены исследования процессов СВ-синтеза, фазового состава и структуры полученных продуктов в зависимости от концентрации алюминиевого компонента в исходной порошковой смеси, а также определение его оптимальной концентрации. Показано, что увеличение концентрации алюминия в исходной порошковой системе Al – Ti – B до 60 мас. % приводит к образованию композиционных металломатричных СВС-материалов Al – TiB2 с высоким содержанием керамических частиц диборида титана (TiB2) нанометрового размера (до 400 нм). Проведены экспериментальные работы по предварительной механической активации исходной порошковой смеси Al – Ti – B с установленной концентрацией алюминия, а также исследование влияния ее продолжительности на процессы СВ-синтеза, фазовый состав и структуру полученных продуктов. Установлено, что механическая активация продолжительностью 900 сек. приводит к изменению характера горения системы. Обнаружено, что толщина зоны прогрева и фронта пламени в этом случае больше, чем в образцах, механическая активация которых составляла 60 сек. и 180 сек. Такой режим синтеза характеризуется как предельный, после которого наступает затухание. С увеличением продолжительности механической активации от 60 секунд до 180 секунд наблюдается повышение температуры синтеза от 1570 оС до 1640 оС. Дальнейшее увеличение продолжительности механической активации до 900 секунд приводит к снижению температуры синтеза до 1480 оС. Исходя из полученных результатов установлено, что продолжительность механической активации от 60 сек. до 180 сек. приводит к увеличению поверхности реагирования между компонентами за счет измельчения их частиц, что напрямую влияет на характер движения фронта пламени, а также на температуру реакции. Увеличение поверхности реагирования позволяет быстрее осуществить реакции синтеза в зоне прогрева, а также приводит к более стабильному распространению фронта пламени по образцу, что объясняет однородный спиновый характер движения. Проведена подготовка исходных порошковых смесей Al – Ti – B (концентрация алюминия постоянная) с различным содержанием порошка титана: (Al + 5 масс. % Ti) + (Ti + 2B), (Al + 10 масс. % Ti) + (Ti + 2B), (Al + 30 масс. % Ti) + (Ti + 2B), (Al + 50 масс. % Ti) + (Ti + 2B). Проведены исследования влияния концентрации порошка титана в исходной смеси Al – Ti – B на процессы СВ – синтеза, фазовый состав и структуру продуктов. Исследование температуры СВ-синтеза в образцах системы (Al-Tix)-(Ti-2B) позволили установить, что увеличение концентрации титана (Tix) приводит к снижению температуры синтеза. Таким образом, для плавления порошка титана (Tix) в матричном материале необходимо затратить больше тепла (относительно чистой алюминиевой матрицы), которое выделяется в процессе экзотермической реакции базового титана и бора (Ti-2B) с образованием диборида титана. Было установлено, что структура СВС-продуктов, полученных из порошковой смеси (Al-Tix)-(Ti-2B), сопоставима со структурой СВС-продуктов системы Al-(Ti-2B). Она также состоит из обособленных частиц диборида титана распределенных в матрицы. Увеличение концентрации титана (Tix) в исходной порошковой смеси до 5 масс. % приводит к образованию в матричном материале областей интерметаллида Al3Ti, которые формируют островную структуру.
Предварительные исследования по спеканию полученных порошковых композиционных материалов показали, что плотность материалов Al-Al3Ti-TiB2, полученных при температуре спекания 1200 градусов Цельсия составляет 95% от теоретической. Показано, что после спекания образцы наследуют структуру СВС-порошка. Структура композитов после спекания так же состоит из частиц диборида титана и островных областей интерметаллида Al3Ti распределенных в алюминиевой матрице. Размер частиц диборида титана в спечённом образце изменяется от 0,05 до 2 мкм, а средний размер равен 0,45 мкм. Установлено, что средний размер частиц диборида титана в спеченных материалах был немного выше среднего размера этих частиц в исходных СВС-порошках, полученных методом СВС (0,37 мкм).
Проведено моделирование механического поведения композиционных материалов на основе системы (Al–Ti)–TiB2 в условиях динамического разрушения. Предложена модель, описывающая поведение композиционных материалов с металлической матрицей, наполненных керамическими частицами, в условиях интенсивных динамических воздействиях. Для изучения особенностей механического поведения композитов в условиях динамических нагрузок, включая динамику разрушения, наиболее эффективно численное моделирование в Лагранжевых координатах с использованием явных схем интегрирования.
Публикации
1. Алексей Матвеев, Владимир Промахов, Никита шульц, Владисла Бахмат, Тимур Туранов Nano- and Submicron-Sized TiB2 Particles in Al–TiB2 Composite Produced in Semi-Industrial Self-Propagating High-Temperature Synthesis Conditions MDPI, Metals 2024, 14, 511 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.3390/met14050511
2. Матвеев А., Промахов В., Шульц Н., Бахмат В., Бельчиков И. Structure and phase composition of SHS composites based on Al–Ti–B system with different Al content Ceramics International, Structure and phase composition of SHS composites based on Al–Ti–B system with different Al content/А. Matveev *, V. Promakhov, N. Schulz, V. Bakhmat, I. Belchikov/https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.10.126 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.10.126