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 проекта 19-79-10280
НазваниеСинтез и искровое плазменное спекание сверхвысокотемпературной керамики для аэрокосмической промышленности
Руководитель Непапушев Андрей Александрович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва
Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые слова Керамика, искровое плазменное спекание, сверхвысокотемпературные композиционные материалы, карбонитриды, карбиды, нитриды, самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)
Код ГРНТИ55.09.35
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Для реализации стратегических интересов России в космосе необходимо осуществить прорыв в пилотируемой космонавтике многоразового пользования за счёт решения одной из наиболее глобальных проблем современного материаловедения – создания и разработки сверхвысокотемпературных материалов для наиболее теплонагруженных узлов (носовых обтекателей, острых кромок крыльев) гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА), которые смогут работать в условиях сверхвысоких температур при аэродинамическом нагреве высокоскоростными потоками воздуха.
На данный момент существует несколько подходов, позволяющих обеспечить протекцию наиболее теплонагруженных конструкций ГЛА от разрушения при температурах выше 2000 °С. Данные подходы основаны (1) на улучшении углерод-углеродных и углерод-керамических композиционных материалов (УУКМ и УККМ), например, путем нанесения на них защитных покрытий, (2) на модифицировании различными добавками уже существующих соединений, например, введение карбида кремния в состав диборидов переходных металлов с целью увеличения стойкости к окислению без потери термомеханических свойств этих соединений, а также (3) на использовании многослойных покрытий с чрезвычайно низкими скоростями окисления в потоке воздуха. Однако, стоит отметить, что данные подходы не лишены недостатков. Например, при уменьшении радиуса скругления кромки крыла ГЛА до нескольких сантиметров на ее поверхности при выходе из атмосферы и повторном входе будут наблюдаться температуры порядка 2000 °С, а на краю – порядка 4000 °С. Поэтому можно сделать вывод, что такие соединения, как дибориды переходных металлов, УУКМ и УККМ, не смогут обеспечить стабильную работу узлов ГЛА при столь высоких температурах либо из-за неконтролируемого ускорения процесса окисления, либо из-за низкой прочности конструкционного материала, либо из-за недостаточно высоких температур плавления используемых соединений. Таким образом, в настоящее время существует острая необходимость в создании новых сверхвысокотемпературных керамических материалов с рекордно высокими температурами плавления и высокими механическими свойствами, что и является целью данного Проекта. В основе предлагаемого нами подхода лежит создание многокомпонентных соединений, таких как Hf-C-N, Hf-Ta-C-N и Hf-Zr-C-N, на базе исходных «рекордсменов» – карбидов тантала и гафния. Триединое сочетание ключевых свойств предлагаемых материалов (эффективный отвод тепла, высокая стойкость к окислению, тугоплавкость) определяет постановку фундаментальных задач. В первую очередь необходимо изучить фундаментальные основы фазообразования и структурообразования представленных твёрдых растворов и зависимость свойств от параметров синтеза и консолидации. Также в рамках данного проекта будет исследован комплекс механических и теплофизических свойств получаемых материалов. Нужно отметить, что особое внимание будет уделено исследованию «работоспособности» карбонитридов в условиях сверхвысоких температур при аэродинамическом нагреве высокоскоростными потоками воздуха.
Научная новизна предлагаемого проекта обуславливается не только выбором направления исследований, но и отсутствием фундаментальных знаний о поведении подобных материалов в условиях столь высоких температур. В рамках проекта будет предложен концептуальный подход, связанный с получением сверхвысокотемпературных материалов методами самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и механохимического синтеза (МС). В отличии от «традиционных» методов синтеза, которые требуют больших временных и энергетических затрат, СВС и МС позволяют получать материалы необходимого состава за короткий промежуток времени, что в свою очередь является гарантией достижения поставленных целей. Получение компактных материалов будет осуществлено с помощью искрового плазменного спекания (ИПС), реакционного ИПС и нового подхода – флэш-ИПС. На консолидированных образцах будет исследована зависимость механических и теплофизических свойств предлагаемых материалов от состава твердого раствора. Нужно отметить, что данное направление Проекта вовсе не представлено в мировой литературе для карбонитридов переходных металлов, в частности, и для Hf-C-N, Hf-Ta-C-N, Hf-Zr-C-N. Также ключевым направлением Проекта является комплексное исследование теплофизических свойств получаемых материалов в широком диапазоне температур (вплоть до полного их разрушения), что априори является непростой задачей из-за рекордно высоких температур плавления исходных компонентов. Однако использование всех ресурсов, имеющихся в распоряжении научного коллектива, позволит достигнуть запланированных результатов, приобрести новые фундаментальные знания и создать новые сверхвысокотемпературные конструкционные материалы, которые в будущем позволят реализовать стратегические интересы России в космосе.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ