Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Продолжена разработка теоретических и компьютерных моделей прочности и трещиностойкости высокотемпературных керамик. В частности, построены и проанализированы две аналитические и конечно-элементная модель, проведено тестирование и отладка компьютерного кода для атомного моделирования методом молекулярной динамики, а также разработана новая дискретная многомасштабная модель прочности и трещиностойкости керамик с применением методологии дискретных комплексов. Разработана модель, описывающая наблюдаемые немонотонные температурные зависимости прочности керамик на изгиб. В рамках модели на прочность на изгиб влияет межзеренное скольжение, которое может затуплять вершины трещин и тем самым увеличивать прочность на изгиб при определенных температурах. В то же время при достаточно высоких температурах высокая скорость межзеренного скольжения приводит к переходу от хрупкого к вязкому разрушению, что снижает прочность на изгиб. Показано, что на прочность керамик на изгиб при повышенных температурах может сильно влиять способность межзеренных границ к проскальзыванию и время нагружения. Продемонстрировано, что керамики с наибольшей прочностью на изгиб должны иметь низкое сопротивление межзеренному скольжению при кратковременной нагрузке и высокое сопротивление такому скольжению при длительной нагрузке. Результаты модели количественно согласуются с экспериментальными данными. Предложена теоретическая модель, описывающая механизм пластической деформации высокотемпературных керамических композитов, содержащих аморфные межкристаллитные прослойки и поры в тройных стыках этих прослоек. В рамках модели, пластическая деформация реализуется за счет зарождения жидкоподобных включений на поверхности пор и их последующего распространения вдоль аморфных межкристаллитных прослоек. На примере высокотемпературной керамики α-Al2O3 с аморфными межкристаллитными прослойками, рассчитаны зависимости критических значений внешнего сдвигового напряжения, требуемого для зарождения жидкоподобного включения, от температуры деформации в широком диапазоне температур деформации от 300 К до 1500 К. Показано, что критическое напряжение для зарождения жидкоподобного включения сильно зависит от температуры деформации и слабо от размера пор. В рамках конечно-элементного исследования трещиностойкости керамических материалов определены зависимости полного изменения энергии при росте трещины из поры, построенные для разных значений внешних нагрузок и для случаев температурных условий: относительно низкой (Т = 300 K) и относительно высокой (Т = 1400 K) температур. Продемонстрировано, что изменение энергии при росте трещины сильно зависит от температуры деформации. В частности, показано, что при увеличении температуры критическая длины трещины Гриффитса уменьшается. Проведено тестирование и отладка компьютерного кода для молекулярно-динамического моделирования деформируемых высокотемпературных керамик. Проведен анализ оптимальных параметров моделирования, а также выполнена проверка на сходимость. Разработана новая дискретная многомасштабная модель прочности и трещиностойкости высокотемпературных керамик с наполнителем в виде порошков удлиненных включений, размещенных по границам зерен, которая учитывает растущие макротрещины. Практические результаты модели заключаются в формулировке нескольких стратегий проектирования керамик, ведущих к улучшению их прочностных характеристик, а именно: - связывание нанокерамики порошком включений может улучшить в 2-3 раза вязкость разрушения; - выбор включений очень высокой прочности и создание пучков включений, которые должны быть достаточно протяженными по длине, но наномасштабными в двух других измерениях, в целом улучшает механические характеристики композита; - уменьшение дисперсии распределения полос включений по длинам может обеспечить дальнейшее увеличение вязкости разрушения; - все проведенные численные исследования показывают существенное преимущество порошка, обладающего высокими средними значениями длины включения и дисперсии распределения по длинам включений; - наличие агломераций, обладающих низкими или умеренными мощностями (~ 2-4-х включений), является положительным фактором для трещиностойкости композита. В рамках экспериментальной части проекта целью данного этапа работы было исследование влияния условий золь-гель синтеза на физико-химические свойства прекурсоров и керамики на основе недопированного и стабилизированного ZrO2. Методами РФА (рентгенофазового анализа) и рамановской спектроскопии было показано, что в прекурсорах недопированного ZrO2 наблюдается последовательность фазовых переходов «аморфная фаза → тетрагональный ZrO2 → моноклинный ZrO2». Варьирование условий золь-гель синтеза (природы соли цирконила, концентрации осадителя и температуры прокаливания) и исследование методами СТА (синхронного термического анализа), БЭТ (снятия изотерм адсорбции азота) и лазерной седиментографии показало явную зависимость физико-химических свойств, полученных прекурсоров от данных параметров. Наконец, были исследованы физико-химические свойства спеченной керамики. Керамика из полученных порошков превзошла по всем характеристикам керамику, спеченную из порошка японской фирмы Tosoh. Результаты гидростатического взвешивания и индентирования показали высокую относительную плотность (более 99%) и в 2–3 раза большую микротвердость по Виккерсу. Микрофотографии СЭМ продемонстрировали значительно большую реакционноспособность синтезированных прекурсоров по сравнению с коммерческими: размер зерен в керамике оказался на порядок меньше, а также были отчетливо видны межзеренные границы.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Предложена теоретическая модель, описывающая температурную зависимость прочности керамических композитов (КК), армированных дисперсными частицами. Показано, что эта зависимость может иметь максимум, если коэффициент термического расширения (КТР) наполнителя значительно меньше, чем у матрицы. Результаты моделирования согласуются с экспериментальными данными и подтверждают, что небольшая разница КТР матрицы и наполнителя способствует высокой прочности КК. Разработана теоретическая модель, описывающая микромеханизм испускания решеточных дислокаций (РД) из тройных стыков аморфных межкристаллитных прослоек с порами и жидкоподобными включениями (ЖПВ) в высокотемпературных керамиках (ВТК). На примере ВТК α-Al2O3 проведен сравнительный анализ критических напряжений испускания РД и их скольжения по призматическим и базисным плоскостям скольжения внутри зерна в зависимости от температуры деформации в диапазоне от 300 К до 1500 К. Показано, что критическое напряжение испускания РД уменьшается как с удлиннением ЖПВ, так и с увеличением температуры деформации, и увеличивается с ростом поры. Влияние температуры на параметры трещиностойкости ВТК исследованы с помощью параметрического конечно-элементного моделирования (КЭМ). Эмпирические зависимости упругих свойств ВТК α-Al2O3 от температуры использованы для определения критических параметров разрушения, таких как длина трещины, разрушающее напряжение и трещинодвижущая сила. Предложенная процедура КЭМ верифицирована на классическом примере трещины Гриффитса и применена для исследования случая стационарного роста трещин из пор для различных температур. Показано, что рост трещины может быть энергетически выгоден при повышенных температурах и невыгоден при относительно низких. Разработаны и верифицированы молекулярно-динамические модели, описывающие упругое поведение и процесс разрушения карбида и нитрида титана при температурах до 2000 К. Определена максимальная скорость деформации (10⁸ с⁻¹), обеспечивающая корректное моделирование хрупкого разрушения. Установлено снижение модуля Юнга и прочности материалов с ростом температуры. Выявлен температурный переход механизма разрушения: от хрупкого (при 300 K) к квазихрупкому с развитием дефектной структуры (при T > 1600 K). Развиты оригинальные дискретные подходы к многофакторной оптимизации свойств керамических нанокомпозитов (КНК) на нескольких масштабных уровнях. Учтены вклады в увеличение вязкости разрушения КНК от бриджинга макротрещины включениями графена, от архитектуры сети включений на мезоуровне, от процессов микрорастрескивания и от мартенситных фазовых переходов (в циркониевых керамиках). Все эти параметры могут варьироваться на практике при изменении морфологии включений графена и распределения по размерам порошка прекурсора в процессе ультрасонификации при производстве КНК. Проведено детальное численное исследование агломераций графена, показана линейная зависимость средней мощности (числа слоев включений) агломерации от отношения доли границ зерен, содержащих агломерации, к доле границ зерен, содержащих включения. Достигнуты следующие основные практические результаты. 1) Однородное распределение включений по размерам близко к оптимальному. 2) Изменение морфологии и распределения включений по размерам может давать большее увеличение вязкости разрушения, чем 5-кратное увеличение доли включений. 3) Теоретические пределы увеличения вязкости разрушения за счет механизма бриджинга макротрещины включениями при оптимизированной архитектуре сети включений могут достигать 5-6-ти раз, но ограничения на прочность удлиненных включений оксида графена уменьшает это значение до 3-х раз. 4) Фазовые переходы и множественное растрескивание в циркониевых КНК могут вносить сопоставимый с бриджингом вклад в увеличение вязкости разрушения при умеренных температурах, однако бриджинг остается доминирующим фактором при высоких температурах (>400-600 ºС) в неокисляющих атмосферах. В части экспериментальных работ определена оптимальная методика синтеза порошков на основе ZrO2, и проведен синтез порошков с заданной дисперсностью для получения композитов из металлокерамики (МК). Показано, что процессы осаждения гидроокиси циркония и старения осажденного из раствора геля зависят от концентрации аммиака, что приводит к его влиянию на фазообразование в прекурсорах ZrO2. Согласно данным синхронного термического анализа (СТА), лазерной седиментографии, данным адсорбции/десорбции азота показано, что размер частиц ZrO2 зависит квазилинейно от концентрации осадителя. Оптимальной выбрана концентрация аммиака 1М. Выполнен синтез МК композитов, исследование структуры и процессов высокотемпературного окисления кермета до керамики. Исследована усадка образцов на стадии конверсии МК в керамику, для итоговой керамики были определены плотность материала, температурная стабильность и механические свойства. Испытания прочности на изгиб и сжатие керамики из МК порошков состава NiО-YSZ с добавкой кубического диоксида циркония (8Y2O3-92ZrO2, мол.%, 8YSZ) 5 и 10 вес. % проведены при комнатной температуре, и прочности на изгиб в интервале температур от 20 до 1400 ºС. Методами РФА, термогравиметрии, гидростатического взвешивания показано, что синтез МК композитов Ni-YSZ с добавкой 5 и 10 вес.% YSZ и последующим окислением до керамики в течение 100 ч приводит к получению керамик с остаточным содержанием неокисленного Ni в итоговой керамике 6-9 вес.%, сопровождается положительным изменением линейных размеров на ~ 9%, а плотность итоговой керамики составляет 6.7-7.1 г/см3. Образцы, синтезированные из порошков, содержавших 5 вес.% YSZ, продемонстрировали большие пределы прочности на сжатие и сравнимые значения прочности на трехточечный изгиб по сравнению с образцами, содержавшими 10 вес.% YSZ. Испытания прочности на изгиб керамики состава NiО-YSZ с добавкой 5 вес. % YSZ показали, что полученный материал обладает прочностью на изгиб ~60-90 МПа в температурном интервале от 20 до 1400 ºС.