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 25-21-00691
НазваниеИзучение процесса наноструктурирования алюмокислородной матрицы в объеме и на поверхности с целью получения керамического композиционного наноматериала с улучшенными механическими свойствами и износостойкостью.
Руководитель Земцова Елена Георгиевна, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург
Конкурс №118 - Конкурс на получение грантов РНФ по мероприятию «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка проведения научных исследований и развития научных коллективов, занимающих лидирующие позиции в определенных областях науки»
Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-306 - Механика гетерогенных и функциональных материалов, многомасштабность структуры и текстуры
Ключевые слова алюмокислородная керамика, керамические композиты, прочность, износостойкость, наноструктуры карбида титана, покрытие
Код ГРНТИ30.15.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Известно, что на основе керамики получают материалы с высокими функциональными свойствами. По сравнению с металлическими материалами конструкционная керамика обладает ярко выраженными преимуществами в отношении жаропрочности, сопротивляемости эрозии, коррозионной стойкости и др. свойств, а также способности к эксплуатации в условиях воздействия высоких температур без значительной деградации механических свойств во времени. По сравнению с металлическими материалами керамические материалы обладают комплексом уникальных свойств и имеют ряд преимуществ: способность сохранять свойства в окислительной среде при температурах выше 1200 °С, хорошую износостойкость, отличные коррозионные свойства, малую плотность, невысокое тепловое расширение. Все это делает их безальтернативными для применения в теплонагруженных узлах и деталях перспективных изделий авиационно-космической техники и в новых областях общего и специального машиностроения.
Однако на практике относительно редко удается реализовать в керамическом материале все потенциальные преимущества, обусловленные природой химической связи, из-за ограничений накладываемых реальной структурой материала.
Одной из основных проблем, возникающих перед исследователем при создании нового керамического материала, это проблема структурирования материала таким образом, чтобы сформировать высокопрочное состояние с минимальным количеством дефектов, или со структурой, позволяющей гасить возникающие напряжения.
В проекте в качестве одного из решений задачи повышения механических свойств алюмокислородной керамики предлагается процесс химического наноструктурирования алюмокислородного каркаса методом химической сборки (ALD). Фактически в проекте рассматриваются научные основы способа получения композиционного керамического материала нового поколения на основе структурирования алюмокислородной матрицы на наноуровне, за счет трехмерного (3D) структурирования матрицы наноструктурами ТiC или углеродными наноструктурами а также армированием частицами структуры ядро-оболочка (ТiC@Ni), причем планируется равномерное распределение дисперсной фазы по объёму матрицы в результате особенностей химического наноструктурирования.
В работе будут изучены механические свойства (прочность, жесткость, вязкость разрушения) образцов алюмокислородной керамики наноструктурированной ТiC или углеродными наноструктурами (1-30 нм) с целью изготовления опытного образца с наилучшими механическими свойствами.
Другой важной особенностью предлагаемого проекта является проведение процесса наноструктурирования не только в обьеме матрицы а, но и на поверхности полученного материала, что позволяет регулировать поверхностные свойства материала (в нашем случае микротвердость, износостойкость). Планируется получать на поверхности керамики чередующиеся нанослои TiС и TiN по заданной программе. Совместное использование карбидов и нитридов заключается в том, что соединяют износостойкие карбидные покрытия с более пластичными нитридными.
В работе будет проведено моделирование эффективных свойств композитов в зависимости от концентрации и размера неоднородностей в объёме материала с целью предсказания механических свойств материала на основе разработанной макромеханической модели. Решение задачи экспериментального обоснования возможности получения нового класса наноструктурированных керамических ( на основе алюмокислородной матрицы) материалов позволит получить научные данные, являющиеся научной основой для разработки технологии химического наноструктурирования керамических матриц, используемых в различных областях техники.
Ожидаемые результаты
1. Будет изготовлена объёмная алюмокислородная матрицы на основе частиц наноразмерного порошка оксида алюминия
2. Будет проведено изучение влияния условий прессования и спекания наноразмерного порошка оксида алюминия на пористость получаемых образцов.
3. Будет проведено определение химического, фазового состава и структурных характеристик полученных пористых матриц.
4. Будет изучены механические свойства алюмокислородной керамики, полученной на основе наноразмерного оксида алюминия без содержания дисперсной фазы.
5.Будет экспериментально обоснован процесс наноструктурирования алюмокислородного каркаса на основе изучения поверхностных химических реакций оксида алюминия с низкомолекулярными реагентами.
6. Будет проведен синтез нанослоев ТiC (от 1нм до 100нм) на алюмокислородной матрице и определены условия направленного синтеза нанослоев частиц ТiC (от 1нм до 100нм) на алюмокислородной матрице.
7. Будет проведено определение химического, фазового состава и структурных характеристик полученных пористых матриц.
8. Будут исследованы условия изготовления образца безпористой алюмокислородной керамики с включениями нанонитей (от 1нм до 30нм) армирующего материала (ТiC или углеродных наноструктур).
9. Будут исследованы условия прессования и спекания образца алюмокислородной керамики с включениями нанонитей (от 1нм до 30нм) армирующего материала.
10. Проведены исследования синтезированных образцов физическими методами (ЭСХА, сканирующая электронная микроскопия, РФА и др.) с целью определения химического, фазового состава и строения образцов.
11. Будут изучены механические свойства (прочность, жесткость, вязкость разрушения) образцов алюмокислородной керамики наноструктурированной ТiC или углеродными наноструктурами (5-30 нм) с целью изготовления опытного образца с наилучшими механическими свойствами.
12. Будут изготовлены образцы алюмокислородной керамики с включениями из нанонитей армирующего материала (ТiC или углеродными наноструктурами) с улучшенными механическими свойствами.
13. Будут определены условия синтеза для направленного регулирования механических свойств (прочность, жесткость, вязкость разрушения) образцов алюмокислородной керамики наноструктурированной наночастицами ТiC или углеродными наноструктурами (5-30 нм) с целью изготовления опытного образца с наилучшими механическими свойствами.
14 Будет проведено моделирование эффективных свойств композитов в зависимости от концентрации и размера неоднородностей в объёме материала.
15. Будут исследованы условия синтеза и разработан способ получения наноструктурированных покрытий (5-30 нм) с заданным взаимным расположением нанослоев различного химического состава на поверхности керамики для регулирования износостойкости.
16 Будут выявлены особенности синтеза чередующихся нанослоев различных химических соединений (оксиды, нитриды, карбиды) с целью определения оптимального состава и толщены покрытий для получения керамического материала с высокими прочностными свойствами и износостойкостью.
17. Будут синтезированы наноструктурированные покрытия на алюмокислородной керамической матрицы.
18. Будут исследованы синтезированные образцы физическими методами (ЭСХА, РФА, сканирующая электронная микроскопия и др.) с целью определения условий получения нанопокрытий заданного химического состава и строения.;
19. Будут определены механические свойства (микротвёрдость, износостойкость) синтезированных. образцов с нанесенными покрытиями.
20. Будет создан опытный образец с наноструктурированными градиентными покрытиями на керамике с высокими механическими свойствами и высокой износостойкостью.
По результатам работы будет опубликовано:
3 статьи: Materials science and engineering A. или Journal of Materials Science, Nanomaterials, Физическая мезомеханика
В силу инновационного характера создаваемых композиционных наноструктурированных материалов, обладающих улучшенными свойствами, то можно ожидать широко их использования для авиа-, авто-, судостроения, топливно-энергетического комплекса, инструментальной промышленности, горнодобывающей промышленности, атомной энергетики и социальной сферы.
Социально-экономический эффект от применения создаваемого композиционного наноструктурированного материала нового поколения на основе алюмокислородной керамики должен определяться появлением новых конструкционных наноструктурированных керамических материалов и композитов. Полученные в рамках данного проекта материалы и технологии должны послужить основой для создания современного перспективного оборудования, позволяющего при эксплуатации снизить себестоимость выпускаемой продукции, решить проблемы повышения надежности и ресурса элементов конструкции и оборудования машиностроения.
Наиболее значительный экономический эффект следует ожидать от потенциальной возможности производства высоконадежной наноструктурированной нанонитями ТiC керамики с улучшенными эксплуатационными свойствами (структурными и механическими), не достижимыми в рамках других методов синтеза. Наиболее перспективными областями потребления таких изделий являются двигателестроение (наиболее высокотемпературно устойчивые детали и узлы).
Эффективность практического использования разработанных композиционных наноструктурированных материалов на основе алюмокислородной керамик определяется рядом факторов:
– заменой металлов и суперсплавов в изделиях, работающих при высоких температурах в окислительных и коррозионных средах (лопатки и блинки газовых турбин, футеровки камер сгорания, сопла реактивных двигателей, высокотемпературные элементы систем управления и др.)
– использованием при создании перспективных авиационных и автомобильных двигателей, энергогенерирующих, в том числе атомных, установок;
– существенным повышением ресурса изделий, а также снижение затрат на их ремонт;
Результаты работ должны быть ориентированы на применение в отечественном производстве и быть конкурентоспособными на мировом рынке.