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 24-22-20038
НазваниеМеханические свойства металломатричных композитов на основе интерметаллидов и низкоразмерных углеродных структур: молекулярно-динамическое моделирование
Руководитель Захаров Павел Васильевич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург
Конкурс №90 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-208 - Металлы. Сплавы. Неупорядоченные структуры
Ключевые слова металломатричный композит, углеродная нанотрубка, фуллерен, механические свойства, атомистическое моделирование
Код ГРНТИ29.03.77
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Гибридные структуры металлов и углеродных нанообъектов, например, нанотрубок, в последние годы привлекли особое внимание в различных механических и электрохимических приложениях. Совокупность уникальных свойств отдельных компонент приводит к мультипликативному эффекту в композитах. В данном проекте будут решаться вопросы исследования свойств данных гибридных структур (металл-углерод) посредством проведения моделирования методами атомистического моделирования экспериментов для широкого круга материалов и внешних условий. Работа предполагает исследование материалов, применяемых в медицинский целях, в частности в протезировании. К их числу относятся сплавы на основе Ni, Pt, Ti, Al, Au и других элементов. В качестве армирующих элементов будут выступать углеродные нанотрубки и фуллерены. Улучшение характеристик этих соединений позволит уменьшить технологические издержки и в целом повысить эффективность разработки и применения устройств на основе интерметаллических сплавов, армированных низкоразмерными углеродными структурами.
Целью исследования является поиск оптимальных соотношений компонент композитов на основе металлической матрицы и углеродных наноструктур для формирования определенных механических свойств материала. В рамках проекта будут разработаны термо-динамические модели рассматриваемых композитов, для различных внешних условий. Проведена их верификации на основе исследований других научных групп, в том числе сравнение с имеющимися экспериментальными данными. Содержательная часть исследований будет включать изучение роли объемных долей, массовых долей компонент в композите при различных внешних условиях, в том числе в широком спектре температур, деформаций, давлений, ударных нагрузок, внешнего излучения.
Результаты данного исследования будут иметь фундаментальное и прикладное значение. Фундаментальное значение результатов проекта состоит в построении молекулярно-динамических моделей композитов на основе металла и углеродных наноструктур. Будут выявлены зкономерности в механических свойствам материалов в зависимости от внешних условий, в том числе при критичкских нагрузках, что позволит сформировать более полное представление о процессах происходящих на атомном уровне и их связи с макросвойствами композитов. Прикладная значимость результатов проекта состоит в получении качественных и количественных характеристик рассматриваемых материалов, таких как прочность и пластичность, что позволит выбирать оптимальные диапазоны в натурных экспериментах, увеличивая вероятность нахождения оптимальных параметров для той или иной задачи.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
За отчетный период по проекту "Механические свойства металломатричных композитов на основе интерметаллидов и низкоразмерных углеродных структур: молекулярно-динамическое моделирование" представлено 5 научных статей, в числе которых 3 входят в базы Scopus и RSCI:
1. Янковская У.И., Старостенков М.Д., Медведев Н.Н., Захаров П.В. Методы моделирования композитов, армированных углеродными нанотрубками: обзор и перспективы // Компьютерные исследования и моделирование, 2024, т. 16, № 5, с. 1143-1162. DOI: 10.20537/2076-7633-2024-16-5-1143-1162.
2. Ustina I. Yankovskaya, Mikhail D. Starostenkov, Artem V. Markidonov, Arseny M. Kazakov, Elena A. Korznikova, and Pavel V. Zakharov. Enhanced mechanical properties of Ni3Al composites reinforced with single-walled and multi-walled carbon nanotubes: An atomistic modeling study // Journal of Micromechanics and Molecular Physics, 2024, Vol. 09, No. 02n03, pp. 99-105. DOI: 10.1142/S2424913024500139.
Результаты представлены широкой научной общественности на 4 конференциях с международным участием:
1. XIX Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях», посвящённой 65-летию Бийского технологического института
2. Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы – 2024 (УМЗНМ – 2024)
3. Неделя науки ФизМех - 2024
4. 51 школа-конференция "Актуальные проблемы механики" памяти Д.А. Индейцева
Публикации
1.
Янковская У.И., Старостенков М.Д., Маркидонов А.В., Казанов А.М., Корзникова Е.А., Захаров П.В.,
Enhanced Mechanical Properties of Ni3Al Composites Reinforced with Single-Walled and Multi-Walled Carbon Nanotubes: An Atomistic Modeli
Journal of Micromechanics and Molecular Physics, No. 02n03, Vol. 09, pp. 99-105. (год публикации - 2024)
DOI: 10.1142/S2424913024500139
2.
Янковская У.И., Старостенков М.Д., Медведев Н.Н., Захаров П.В.
Методы моделирования композитов, армированных углеродными нанотрубками: обзор и перспективы
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ, № 5, т. 16, с. 1143-1162.
(год публикации - 2024)
DOI: 10.20537/2076-7633-2024-16-5-1143-1162.
3. Янковская У. И., Захаров П.В. Молекулярно-динамическое моделирование одноосной нагрузки на композит при различных углах ориентации УНТ ИЗМЕРЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ, с. 38-39. (год публикации - 2024)
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках проекта было проведено комплексное исследование, направленное на определение влияния армирующих углеродных наноструктур (углеродные нанотрубки, фуллерены, графен) на прочность и пластичность металломатричных композитов. С помощью молекулярно-динамического моделирования и сравнения с экспериментальными данными были раскрыты наномасштабные механизмы деформации композитов и предложены оптимальные соотношения массовых/объемных долей наполнителей для достижения целевых механических свойств композиционных материалов.
Работа направлена на углубленное изучение механических свойств и атомных механизмов деформации металломатричных композитов, армированных углеродными нанонаполнителями.
При проведении разномасштабного компьютерного моделирования, была выполнена серия вычислительных экспериментов по одноосному деформированию широкого спектра модельных систем: рассматривались чистые металлы (Al, Au, Ni, Cu, Ti) с коаксиально внедренными углеродными нанотрубками, перспективные интерметаллиды (TiAl, TiNi, Al₂Ni₃) для высокотемпературных применений, композиты с фуллеренами C₆₀ на основе сплава Ti₃Al. Моделирование проводилось в широком температурном диапазоне (от 300 до 1700 К) с использованием проверенных межатомных потенциалов и гибридного их применения, что обеспечило достоверность результатов. Установлены ключевые механизмы влияния нанонаполнителей. Были визуализированы атомные процессы и показано, что УНТ и фуллерены служат эффективными барьерами для движения дислокаций, заставляя их «огибать» нанонаполнители и формировать сложные петли. Это является основным механизмом упрочнения. В интерметаллидах эффект армирования сильно зависит от кристаллической структуры матрицы и направления нагружения. Обнаружено сложное влияние дефектов: введение небольшой концентрации вакансий (1.5%) в композит Ti₃Al–C₆₀ может повышать прочность на 17%, тогда как их избыток приводит к ее снижению.
Получен ряд фундаментальных результатов: подтвержден универсальный армирующий эффект УНТ для исследованных металлов, особенно при низких температурах; показана перспективность графена для создания прочных и пластичных медных композитов; главным фактором, определяющим свойства композита, является взаимодействие на границе раздела «матрица-армирующий элемент» и вызываемые им изменения в дислокационной структуре.
Выполненная комплексная программа вычислительных исследований и сравнение с имеющимися экспериментальными данными позволила углубить понимание физических механизмов упрочнения металлов углеродными наноматериалами. Полученные результаты могут быть использованы для целенаправленного дизайна новых композитов с заданными механическими свойствами.
Публикации
1.
Захаров П.В., Янковская У.И., Казаков А.М.
Molecular dynamics study of the mechanical behaviour and dislocation evolution in metal–carbon nanotube nanocomposites
Journal of Micromechanics and Molecular Physics, p. 1-10 (год публикации - 2025)
10.1142/S2424913025500092
2.
Луценко И.С., Баранов В.И., Нарсеев А.С., Янковская У.И., Медведев Н.Н.
HIGH-AMPLITUDE OSCILLATIONS OF AN ATOMIC ROW IN A MODEL CRYSTAL
Materials. Technologies. Design, Vol. 7, No. 3(22), р. 5-12 (год публикации - 2025)
10.54708/26587572_2025_732251
3.
Корзникова Г., Халикова Г., Косарев И., Вэй В., Семенов А., Корзникова Е.А.
Microstructure and Mechanical Performance of Cu and Gr/Cu Composites: Experimental and Ab Initio Insights
Solids, Vol6 (4):57. (год публикации - 2025)
10.3390/solids6040057
4. НАРСЕЕВ А.С., ЗАХАРОВ П.В., ЯНКОВСКАЯ У.И. ПРОГРАММА СОЗДАНИЯ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИТА АРМИРОВАННОГО ФУЛЛЕРЕНАМИ Патентное ведомство: Россия, Номер свидетельства: RU 2025680755 (год публикации - 2025)
5. ЗАХАРОВ П.В., НАРСЕЕВ А.С., ЯНКОВСКАЯ У.И. ПРОГРАММА СОЗДАНИЯ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИТА АРМИРОВАННОГО УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ Патентное ведомство: Россия, Тип: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ Номер свидетельства: RU 2025611925 (год публикации - 2025)
6. Нарсеев А.С., Янковская У.И., Маркидонов А.В., Старостенков М.Д., Захаров П.В. Механические свойства Ti3Al, армированного фуллереном С60, при одноосной деформации растяжения: молекулярно-динамическое моделирование Журнал "Фундаментальные проблемы современного материаловедения" (год публикации - 2025)
7. ЯНКОВСКАЯ У.И., НАРСЕЕВ А.С., ЗАХАРОВ П.В. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ, АРМИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов = Actual Problems of The Physical Metallurgy of Steels and Alloys : сборник статей XXVII Международной научно-технической конференции Уральской школы металловедов-термистов (Екатеринбург, 03–07 февраля 2025 г.). — Екатеринбург : Издательский Дом «Ажур», 2025, c. 296-300 (год публикации - 2025)
8. ЩЕПИЛОВ Е.А., КОМИССАРЕНКО О.Г., ЯНКОВСКАЯ У.И., YANKOVSKAYA U.I., СТАРОСТЕНКОВ М.Д. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ ОДНООСНОЙ НАГРУЗКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ В КОМПОЗИТЕ TI3AL Молодёжная петербургская школа-конференция инженеров-педагогов : Сборник материалов научной конференции, Санкт-Петербург, 22–23 апреля 2025 года. – Санкт-Петербург: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого", 2025., С. 87-89. (год публикации - 2025)
9. НАРСЕЕВ А.С., ЗАХАРОВ П.В., ЯНКОВСКАЯ У.И. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТА AL2NI3, АРМИРОВАННОГО УГЛЕРОДНОЙ НАНОТРУБКОЙ, ПРИ ОДНООСНОЙ ДЕФОРМАЦИИ РАСТЯЖЕНИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ (ПАВТ'2025), с. 218-225 (год публикации - 2025)
10. Нарсеев А.С., Захаров П.В., Янковская У.И., Комиссаренко О.Г., Шепилов Е.А. Evaluation of Mechanical Properties of C₆₀-Fullerene Reinforced Ti₃Al under Uniaxial Tensile Deformation: A Molecular Dynamics Study Proceedings of the 2025 International Conference on Information, Control, and Communication Technologies (год публикации - 2025)
11. Янковская У.И., Захаров П.В. Изучение механических свойств интерметаллидов на основе Ti, армированных углеродными нанотрубками ФизикА.СПб: тезисы докладов международной конференции, 20–24 октября 2025 г. , с. 344-345 (год публикации - 2025)
12. Янковская У. И., Захаров П.В. Изучение механических свойств интерметаллидов на основе Ti, армированных углеродными нанотрубками Журнал "Физика твердого тела" (год публикации - 2025)
13.
Рожнова Е., Захаров П.В., Баимова Ю.А.
Metal Nanoparticles for Modifying Graphene Aerogels: A Molecular Dynamics Study
Sci , Vol. 7, No 4, p. 176. (год публикации - 2025)
10.3390/ sci7040176
14. Янковская У.И., Старостенков М.Д., Нарсеев А.С., Ганин С.В., Захаров П.В. МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВАКАНСИЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА α-TI, АРМИРОВАННОГО УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ, ПРИ ОДНООСНОМ РАСТЯЖЕНИИ Фундаментальные проблемы современного материаловедения, номер, том, выпус (год публикации - 2025)
Возможность практического использования результатов
Результаты проекта формируют фундаментальный научно-технологический задел для создания новых высокоэффективных композиционных материалов. Полученные знания и разработанное программное обеспечение могут быть непосредственно использованы для совершенствования технологий проектирования и синтеза металломатричных композитов, армированных углеродными наноматериалами.