Разработка композитных материалов с керамической матрицей Cu/SiC с улучшенными теплофизическими, физико-механическими свойствами для теплообменных систем, поверхность которых характеризуется экстремальной смачиваемостью

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 21-73-10245

НазваниеРазработка композитных материалов с керамической матрицей Cu/SiC с улучшенными теплофизическими, физико-механическими свойствами для теплообменных систем, поверхность которых характеризуется экстремальной смачиваемостью

Руководитель Орлова Евгения Георгиевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №61 - Конкурс 2021 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 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые слова композитный материал, плазмодинамический синтез, искровое плазменное спекание, лазерное излучение, смачивание, тепломассоперенос, тепловой поток, системы обеспечения теплового режима, фазовый переход

Код ГРНТИ29.33.47, 31.15.35, 44.31.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым способам конструирования машинного оборудования невозможен без развития фундаментальных знаний в области химической физики и разработки на их основе новых материалов, характеризующихся уникальными функциональными свойствами. К таким материалам относятся композитные материалы с керамической матрицей с экстремальными свойствами смачиваемости (супергидрофильности/супергидрофобности). В настоящее время технологией получения таких материалов обладают лишь несколько развитых стран, что позволяет этим странам занимать лидирующие позиции в научно-технологическом развитии и создании систем обеспечения теплового режима термочувствительных компонентов, фотоэлектрических систем, высокопроизводительных схем большой мощности в микроэлектронике, систем связи пятового поколения 5G, аккумуляторных источников питания. Полученные к настоящему времени научные результаты показывают, что применение композитных материалов с керамической матрицей для решения определённых задач находится вне конкуренции по сравнению с традиционными конструкционными материалами на базе металлов и их сплавов. Превосходство таких материалов обусловлено комбинацией функциональных свойств керамики и металлической матрицы: высокие механические характеристики, стойкость к коррозии в среде сильно агрессивных теплоносителей, высокая теплопроводность и водонепроницаемость, низкий коэффициент теплового расширения. В данном междисциплинарном проекте предполагается разработать инновационную технологию получения композитных материалов с керамической матрицей на основе карбида кремния и меди. Суть подхода заключается в использовании плазмодинамического синтеза для получения композитных материалов с керамической матрицей Cu/SiC с управляемым фазовым и гранулометрическим составом для дальнейшего использования при изготовлении объемных материалов методом искрового плазменного спекания, позволяющего сохранить уникальную исходную структуру за счет подавления процессов рекристаллизации. Для получения экстремальных свойств смачиваемости получаемых композитных материалов с керамической матрицей будет разработан метод модификации её приповерхностного слоя современным наукоемким лазерным подходом обработки материалов. В рамках выполнения проекта, используя современные представления теории физической химии, термодинамики смачивания, поверхностных явлений, тепломассопереноса, механики сплошной среды, будут изучены механизмы смачивания, растекания и кипения малых объемов жидкостей на синтезированных поверхностях композитных материалов. По полученным результатам планируется разработать рекомендации к системам обеспечения теплового режима, конструкция которых изготовлена из композитных материалов с керамической матрицей на основе Cu/SiC. Такие системы необходимы для отвода тепловых потоков высокой плотности от передовых цифровых электронных систем. Научная новизна исследований связана со следующими предлагаемыми и развиваемыми в проекте методами и подходами в области химии при решении актуальных проблем синтеза новых материалов и в области теплофизики при решении проблемы отвода тепловых потоков высокой плотности: – комбинация методов плазмодинамического синтеза дисперсного материала и искрового плазменного спекания для получения объемных образцов с целенаправленным лазерным текстурированием, которая позволяет получить композитные материалы с экстремальным смачиванием, характеризующиеся долговечностью функциональных свойств; – для систем обеспечения теплового режима использование в качестве конструкционного материала композитных материалов с керамической матрицей, характеризующихся экстремальным смачиванием, высокими механическими характеристиками, стойкостью к коррозии в среде сильно агрессивных теплоносителей, высокой теплопроводностью и водонепроницаемостью, низким коэффициентом теплового расширения, позволит повышать эффективность передачи и трансформации тепловой энергии, отводить тепловые потоки высокой плотности от передовых цифровых, интеллектуальных производственных технологий. Использование предлагаемых и развиваемых в проекте методов и подходов позволит решить следующие актуальные задачи: – разработать новые композитные материалы с керамической матрицей, характеризующиеся экстремальными свойствами смачивания и улучшенными физико-химическими, теплофизическими и механическим свойствами. Актуальность этой задачи определяется областью практического использования нового материала. В частности при создании систем обеспечения теплового режима термочувствительных компонентов, фотоэлектрических систем, высокопроизводительных схем большой мощности в микроэлектронике, систем связи пятого поколения 5G, аккумуляторных источников питания, топливных элементов, силовой электроники, радиочастотной техники, полупроводникового технологического оборудования, многоядерных компьютерных процессоров, крупногабаритных термоэлектрических модулей, радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов. – на основании результатов экспериментальных исследований фазовых переходов вблизи поверхности композитного материала с целевыми функциональными свойствами разработать рекомендации к инновационному подходу конструирования систем обеспечения теплового режима, позволяющих отводить тепловые потоки высокой плотности от передовых цифровых, интеллектуальных производственных технологий, систем обработки больших объемов данных, машинного оборудования и искусственного интеллекта. Стоит отметить, что в настоящее время над созданием перспективных новых композитных материалов с керамической матрицей и эффективных способов отвода тепловых потоков высокой плотности от теплонагруженных поверхностей различного назначения работают ведущие научные коллективы. В то же время, подходы и методы, развиваемые членами научной группы предлагаемого проекта, не имеют аналогов в мировом научном сообществе.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Орлова Е.Г., Феоктистов Д.В. Эффект Лейденфроста и поверхностные свойства субмикронной керамики, модифицированной различными методами обработки Тезисы докладов Всероссийской научной конференции 25-27 октября 2021 года г. Сочи, с. 65 (год публикации - 2021)

2. Феоктистов Д.В., Орлова Е.Г. Изменение текстуры, элементного состава и свойств смачивания керамики SIC в результате комбинации методов обработки поверхности абразивным материалом, лазерным излучением, низкотемпературным отжигом, магнетронным осаждением хрома Тезисы докладов Всероссийской научной конференции 25-27 октября 2021 года г. Сочи, страница 84 (год публикации - 2021)

3. Орлова Е.Г., Феоктистов Д.В., Исламова А.Г., Пономарев К.О. Кризис теплообмена на модифицированных поверхностях карбидокремниевой керамики Сборник докладов Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодых ученых XXXVII "Сибирский теплофизический семинар", Сборник докладов Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодых ученых XXXVII "Сибирский теплофизический семинар", Новосибирск, Институт теплофизики СО РАН, стр. 124, 2021 г. (год публикации - 2021)

4. Феоктистов Д.В., Кузнецов Г.В., Сивков А.А., Ивашутенко А.С., Никитин Д.С., Шаненков И.И., Абделмагид А.М., Орлова Е.Г. Expanding the scope of SiC ceramics through its surface modification by different methods Surface & Coatings Technology, Vol. 435, Article number 128263 (год публикации - 2022)
10.1016/j.surfcoat.2022.128263

5. Сивков А., Шаненкова Ю., Вымпина Ю., Никитин Д., Шаненков И. Deposition of copper coatings on internal aluminum contact surfaces by high-energy plasma spraying Surface & Coatings Technology, Vol. 440 (2022), article number 128484 (год публикации - 2022)
10.1016/j.surfcoat.2022.128484

6. Орлова Е.Г., Феоктистов Д.В. Инновационные конструкционные материалы для энергонасыщенного и энергогенерирующего оборудования Сборник докладов VII Всероссийской конференции "Теплофизика и физическая гидродинамика", Сборник докладов VII Всероссийской конференции "Теплофизика и физическая гидродинамика", Изд-во Дигит Про, Новосибирск, 2022, 303 с. (год публикации - 2022)

7. Насырбаев А., Никитин Д.С. Исследование теплофизических характеристик керамики на основе кубического карбида кремния Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции XXXVIII "Сибирский теплофизический семинар", Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции XXXVIII "Сибирский теплофизический семинар", изд-во Алекспресс, Новосибирск, 2022, 300 с. (год публикации - 2022)

8. Орлова Е.Г., Феоктистов Д.В., Дорожкин А.В., Котельников Г.Е. Wetting of Cu-SiC Composite Material Modified by Nanosecond Laser Radiation and Liquid Spreading over It Applied Sciences, Том 13, № статьи 5223 (год публикации - 2023)
10.3390/app13095223

9. Никитин Д.С., Шаненков И.И., Насырбаев А., Вымпина Ю.Н., Орлова Е.Г., Ивашутенко А.С., Сивков А.А. ПОЛУЧЕНИЕ ОБЪЕМНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИТА CU-SIC ДЛЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛОПРОВОДЯЩИХ СИСТЕМ Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов (год публикации - 2023)

10. Шаненков И.И., Никитин Д.С., Насырбаев А.Р., Вымпина Ю.Н., Циммерман А.И., Сивков А.А. Plasma Dynamic Synthesis of Dispersed Cu/SiC Composites with a Controlled Phase Composition Metals and Materials International, 2023 (год публикации - 2023)
10.1007/s12540-023-01533-4

11. Орлова Е.Г., Слюсарский К.В., Дорожкин А.В. ИСПАРЕНИЕ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТЕЙ НА ТЕКСТУРИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ МЕТАЛЛОВ И КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ тезисы докладов VIII Всероссийской конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (ТФГ2023), 196 с. (год публикации - 2023)

12. Никитин Д.С., Насырбаев А., Шаненков И.И. PLASMA DYNAMIC SYNTHESIS OF HIGH ENTROPY CARBIDES AND CARBINITRIDES Ti-Zr-Nb-Hf-Ta-C-(N) Тезисы V Международной школы-конференции «Перспективные высокоэнтропийные материалы», 173 c. (год публикации - 2023)

13. Мисюра С.Я., Морозов В.С., Орлова Е.Г., Андрющенко В.А. Wetting, droplet evaporation and corrosion behavior of various composite and textured materials Ceramics International, Volume 50, Issue 11, Part A, 1 June 2024, Pages 19269-19282 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ceramint.2024.03.026

14. Никитин Д.С., Насырбаев А.Р., Шаненков И.И., Вымпина Ю.Н., Сивков А.А., Орлова Е.Г. ФОРМИРОВАНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ СИЛИЦИДОВ МЕДИ В ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ СТРУЕ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов (год публикации - 2024)

Публикации