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 20-12-00097

НазваниеКвантово-механическое моделирование и экспериментальные исследования новых сверхтвердых и высокопрочных состояний углерода.

Руководитель Бланк Владимир Давыдович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" , г Москва

Конкурс №45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-201 - Теория конденсированного состояния

Ключевые слова упругость, пластичность, прочность, твердость, ковалентные и ионно-ковалентные связи, сверхтвердые материалы, инструментальное индентирование

Код ГРНТИ29.19.13

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Поиском новых сверхтвердых материалов движет идея возможности синтеза материала, твердость которого может достичь или даже превысить твердость алмаза. Применение таких материалов должно привести к улучшению защиты от износа двигателей, обрабатывающих станков, буров для нефтяной индустрии. Новые сверхтвердые покрытия все шире применяются в промышленности. Износостойкие, сверхтвердые покрытия должны привести к увеличению сроков эксплуатации различных узлов и механизмов, к повышению скорости резки. Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы корректного определения предельного значения максимального сдвигового напряжения и соответствующего значения твердости ковалентных и ионно-ковалентных (в том числе сверхтвердых) материалов. Одной из особенностей работы со сверхтвёрдыми материалами является невозможность использования традиционных методов определения прочности, основанных на одноосной деформации образцов макроскопических размеров в условиях сжатия или растяжения. Для технологически доступных образцов такого рода материалов единственным доступным методом измерения прочностных свойств являются методы, основанные на измерения твердости методами инструментального индентирования, наносклерометрии и микроиндентирования. Твёрдость определяется, как работа, затраченная на вытеснение единицы объема материала из-под индентора при внедрении в слой материала другого более твердого и не получающего остаточной деформации тела – индентора. В практических измерениях твёрдость определяется как среднее контактное давление при индентировании. При этом, как следует из механики твердого деформируемого тела, внедрение индентора возможно только в менее твердый, чем индентор, материал. Для таких материалов, как металлы, характеризующимися преимущественно (так называемым) вязким разрушением, имеется хорошо установленная зависимость между предельным значением максимального сдвигового напряжения τ* и твердостью H (для индентора Викерса τ* = 1/3 H). Ковалентные (и ионно-ковалентные) материалы, в частности, сверхтвердые, характеризуются хрупким разрушением при испытаниях в условиях одноосного сжатия. Кроме того, при внедрении индентора в такие материалы крайне сложно получить отпечаток для вычисления значения твердости, образованный пластическим течением, а не выколом материала за счет образовании трещин при снятии нагрузки с индентора. Эти факторы затрудняют определение τ* и H стандартными методами, разработанными для металлов. Заметим, что при внедрении индентора в хрупкие материалы реализуется так называемая схема нагружения с боковым подпором, при которой блокируется образование трещин. Это дает возможность разработать методики для получения корректных значений τ* и H, что запланировано в настоящем проекте. Особенности предлагаемого проекта заключаются в применении широкого круга измерительных методик, включающих уникальные инденторы, изготовленные из особо твёрдых углеродных материалов, способные пластически деформировать поверхность алмаза при индентировании или пропахивании ("царапании"). Ключевой особенностью проекта будет измерение твёрдости сверхтвердых материалов в широком температурном диапазоне, что позволит наиболее эффективно верифицировать предлагаемые теоретические модели твердости и прочности ионно-ковалентных материалов. В работе планируется создание теории твёрдости, основанной на микроскопической, феноменологической и модельном подходах, базирующихся на уточнённых экспериментальных данных и первопринципных расчётах, что позволит в дальнейшем применять теорию для оценки твёрдости и прочности вновь создаваемых материалов с ионно-ковалентными связями. В предлагаемом проекте полученные в результате физического моделирования значения прочности будут с помощью численного моделирования пересчитаны в значения твердости и кривые нагрузка углубление для сравнения с экспериментальными данными. Это возможно, поскольку в рамках механики твердого деформируемого тела измеряемые значения твердости можно связать с величиной прочности материала (под прочностью, в соответствии с критерием Треска, понимается предельное значение сдвигового напряжения), определяемой в условиях сжимающих напряжений с боковым подпором, когда блокируется образование трещин и достигается максимально возможная прочность материала. Для корректного вычисления измеряемой методами инструментального индентированиятвердости необходима информация о зависимости напряжения от деформации, так называемая диаграмма σ – ε («механическое напряжение – деформация»), поэтому данная методика чувствительна к базовым модельным предположениям создаваемой теории твёрдости. С другой стороны, поскольку дислокационные механизмы пластичности в ковалентных кристаллах при температурах ниже температуры Дебая (в частности, при комнатных температурах) отсутствуют или их вклад не является существенным, прочность определяется либо теоретическим предельным сдвиговым напряжением, или напряжением Пайерлса, или устойчивостью структуры. Это дает возможность провести abinitio вычисления прочности ковалентных и ионно-ковалентных кристаллов. На основании результатов моделирования и сравнения полученных результатов с уточненными экспериментальными данными для известных материалов (таких, как алмаз, кубический нитрид бора, корунд, сапфир, фианит и др.), будет разработана модель прочности кристаллических, а также аморфных высокопрочных сверхтвердых материалов (таких, как углеродные нанокластерные фазы). Поиск и создание новых сверхтвёрдых материалов являются актуальными с точки зрения физики конденсированного состояния и физического материаловедения, поскольку получение новых материалов с лучшими параметрами прочности и твёрдости напрямую связано с пониманием микроскопической природы данного свойства и сопряжено с передовыми физико-химическими и технологическими разработками в области синтеза материалов при высоких давлениях и температуре. Любое реальное продвижение в данной области быстро становится достоянием инновационных отраслей промышленности и повышает уровень научного и технологического развития страны.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---