Создание нового поколения металлических (Al, Ni) гибридных нанокомпозиционных материалов с улучшенными механическими свойствами и жаростойкостью для работы в экстремальных условиях эксплуатации элементов и узлов авиационно-космической техники (часть 2: прикладные исследования): 2020 г. этап 3

Project

Project Details

Description

Одной из важных задач современного материаловедения является разработка новых металлических композиционных материалов (МКМ) на основе металлической матрицы с улучшенными функциональными свойствами.
Анализ литературы за последние десятилетие показывает, что для существенного улучшения свойств необходимо создание нового поколения материалов более сложного состава и сложной структурной организации.
Цель работы состояла в разработке метода получения МКМ на основе процессов трехмерного структурирования металлической матрицы нанонитями (d=1-100 нм) ТiC с улучшенными механическими свойствами и жаропрочностью (для матрицы никеля). Развиваемый в работе подход позволяет избежать недостатка одноосных волокнистых металлокомпозитов – наличие резкой анизотропии физических свойств.
В результате проведенной работы разработан общий подход к синтезу МКМ, который включает ряд последовательных стадий:
1. Получение металлического пористого каркаса с определенной пористостью с применением методов и оборудования порошковой металлургии. Была проведена работа по выявлению особенностей формирования никелевой пористой матрицы, а также выяснению возможности добиться улучшения свойств конечного продукта варьируя дисперсность и форму частиц.
2. Поверхностное наноструктурирование подготовленной металлической матрицы нанослоями ТiC (1-100 нм). Была проведена работа по изучению протекания поверхностных химических реакций между частицами металла (никель и алюминий) и низкомолекулярными реагентами, а также экспериментально обоснован процесс наноструктурирования каркаса ТiC. В результате проведённой работы была разработана методика синтеза нанослоёв ТiC на поверхности матрицы металла.
3. Прессование и спекание образца с получением массивного (не пористого) металлического наноструктурированного изделия с размером нанонитей ТiC (1-100 нм).
Проведено исследование механических характеристик полученных образцов, в том числе при высоких температурах. Получен материал (состава 84,5% Ni + 15,5 % TiC) с высоким пределом прочности (в, МРа) – 1300; обладающие хорошей жаропрочностью (800100, МРа)- 530.
В работе также предложены компьютерные модели описывающие процессы деформирования и разрушения металлических композитов с армирующими нанонитями карбида титана.
Разработаны рекомендации по использованию результатов проведенных НИР в образовательном процессе.
Цели и задачи решены в полном объеме.
Результаты исследований по проекту за 2018-2020 гг. представлены в 11 статьях(Scopus) , поданы 3 заявки на патенты, доложены на 10 международных конференциях(12 докладов).

Статьи:
1. Bauer, S. M., Kashtanova, S. V., Morozov, N. F. & Semenov, B. N., The stability of the plates with circular inclusions under tension 1 янв 2018, Generalized Models and Non-classical Approaches in Complex Materials. Altenbach, H., Pouget, J., Rousseau, M., Collet, B. & Michelitsch, T. (ред.). Springer Nature, Том 1. стр. 61-68 8 стр. (Advanced Structured Materials; том 89). Scopus
2. Morozov, N. F., Indeitsev, D. A., Semenov, B. N., Vakulenko, S. A., Skubov, D. Y., Lukin, A. V., Popov, I. A. & Vavilov, D. S., On the Dynamics of the Material with Transformed Microstructure 1 сен 2018, в : Physical Mesomechanics. 21, 5, стр. 379-389 11 стр. Scopus
3. Mashlan, M., Linderhof, F., Davidova, M., Kubickova, H. & Zemtsova, E., Changes of phase composition of maraging steel 1.2709 during selective laser melting. 2 дек 2019, в : Hyperfine Interactions. 241, 11, 8 стр., 11. Scopus
4. Korusenko, P. M., Nesov, S. N., Bolotov, V. V., Povoroznyuk, S. N., Sten'kin, Y. A., Pushkarev, A. I., Fedorovskaya, E. O. & Smirnov, D. A., Structure and electrochemical characterization of SnOx/Sn@MWCNT composites formed by pulsed ion beam irradiation 15 июл 2019, в : Journal of Alloys and Compounds. 793, стр. 723-731 9 стр. Scopus
5. Morozov, N. F., Semenov, B. N. & Tovstik, P. E., Estimation of the Performance Level of a Stretchable Plate Weakened by a Transverse Crack 1 апр 2019, в : Vestnik St. Petersburg University: Mathematics. 52, 2, стр. 220-226 7 стр. Scopus
6. Морозов, Н. Ф., Семенов, Б. Н. & Товстик, П. Е., Об оценке уровня работоспособности растягиваемой пластины, ослабленной поперечной трещиной 2019, в : ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. МАТЕМАТИКА. МЕХАНИКА. АСТРОНОМИЯ. 6(64), 2, стр. 338-346
7. Morozov, N. F., Semenov, B. N. & Tovstik, P. E., Post-buckling deformation and fracture of a stretched plate with a crack . 1 янв 2019, COMPGYN 2019 7th ECCOMAS : Thematic Conf. on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering.. Papadrakakis, M. & Fragiadakis, M. (ред.). Athens. Greece: National Technical University of Athens (NTUA), стр. 3603-3610 8 стр. (COMPDYN Proceedings; том 2). Scopus
8. Tolochko, O. V., Koltsova, T. S., Bobrynina, E. V., Rudskoy, A. I., Zemtsova, E. G., Kirichenko, S. O. & Smirnov, V. M., Conditions for production of composite material based on aluminum and carbon nanofibers and its physic-mechanical properties . 1 апр 2019, в : Nanomaterials. 9, 4, 10 стр., 550. Scopus
9. Zemtsova, E. G., Morozov, P. E., Semenov, B. N., Morozov, N. F. & Smirnov, V. M., Chemical Preparation of the Surface of a Porous Nickel Matrix for Conducting the Synthesis of TiC Nanolayer. 1 янв 2019, в : Russian Journal of General Chemistry. 89, 1, стр. 169-171 3 стр. Scopus
10. Земцова, Е. Г., Морозов, П. Е., Семенов, Б. Н., Морозов, Н. Ф. & Смирнов, В. М., Химическая подготовка поверхности пористой никелевой матрицы для проведения поверхностных химических реакций синтеза нанослоя TiC. 2019, в : ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ ХИМИИ. 89, 1, стр. 162–164 3 стр.
11. M. S. Barabashko , M. Drozd , D. Szewczyk , A. Jeżowski , M. I. Bagatskii , V. V. Sumarokov , A. V. Dolbin , S. N. Nesov , P. M. Korusenko , A. N. Ponomarev , V. G. Geidarov , V. L. Kuznetsov , S. I. Moseenkov , D. V. Sokolov & D. A. Smirnov (2020): Calorimetric, NEXAFS and XPS studies of MWCNTs with low defectiveness, Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures DOI: 10.1080/1536383X.2020.1819251 Scopus
12. Е. Орехов, Д. Н. Соколова, Е. Г. Земцова, А. Ю. Арбенин, В. М. Смирнов. Разработка темплатного электрохимического метода синтеза композиционного покрытия на поверхности титана перспективного для имплантации материалов Сборник трудов 13-й Международная конференция «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка», посвященной 60-летию порошковой металлургии Беларуси, 9-11 сентября 2020 года, стр. 516-518
13. Е. Г. Земцова, Д. В. Юрчук, Б. Н. Семёнов, Н. Ф. Морозов, В. М. Смирнов Получения композиционного металлического материала с двумя упрочняющими модификаторами и разработка моделей деформирования и разрушения синтезированных материалов Сборник трудов 13-й Международная конференция «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка», посвященной 60-летию порошковой металлургии Беларуси, 9-11 сентября 2020 года, стр. 160-162
14. Korusenko P.M., Nesov S.N., Iurchenkova A.A., Fedorovskaya E.O., Bolotov V.V., Povoroznyuk S.N., Smirnov D.A., Vinogradov A.S. Selective functionalization of the multi-walled carbon nanotubes surface with hydroxyl groups using ion-beam irradiation, Materials Science & Engineering A, (2021) (принята в печать) Scopus
15. P. M. Korusenko, S. N. Nesov(2020) Features of the Chemical State of Modified Multi-Walled Carbon Nanotubes in the Composition of Electrodes For Electrochemical Energy Storage Devices, AIP Conference Proceedings, November 2020 (принята в печать) Scopus
16. Морозов Н. Ф.,Вавилов Д. С., Индейцев Д. А, Муратиков К. Л., Семенов Б. Н. О ВЛИЯНИИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЁННОГО СОСТОЯНИЯ НА ТЕРМОАКУСТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ В ТОКОПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛАХ. Современные проблемы механики сплошной среды : труды XX Международной конференции (Ростов-на-Дону, 18–21 июня 2020 г.) : в 2 т. / отв. ред. А. О. Ватульян ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2020. Т. 1. С.170-174


Конференции

1. Морозов, Н. Ф., Индейцев, Д. А., Muratikov, K. L., Glazov, A. L. & Vavilov, D. S., Development of the Theory of Multicomponent Media for Describing Dynamic Processes in Materials of Complex Rheology 2018, Proceedings of the First International Conference on Theoretical, Applied and experimental Mechanics. Springer Nature, стр. 412-414 3 стр.
2. Семенов, Б. Н., Моделирование механических характеристик нанокомпозитов металл-графен 2018, Проблемы динамики взаимодействия деформируемых сред: Труды IX международной конференции, 01-06 октября, Горис, Армения. Ереван, стр. 288-292 5 стр.
3. Морозов, Н. Ф., Земцова, Е. Г., Смирнов, В. М., Морозов, П. Е., Семенов, Б. Н. & Арбенин, А. Ю., Процесс наноструктурирования металлической иматрицы дисперсной фазой (TiC) для направленного регулирования механических свойств. 2018, Проблемы динамики взаимодействия деформируемых сред: Труды IX международной конференции. Ереван: National Academy of Sciences of the Republic of Armenia, стр. 180-181 2 стр.
4. Семенов, Б. Н., Морозов, Н. Ф. & Товстик, П. Е., Деформирование и разрушение растянутых пластин с дефектами за пределом устойчивости. 2019. 1 стр. XIV Всероссийская школа "Математическое моделирование и биомеханика в современном университете" 26/05/19 → 31/05/19 Дивноморское, Российская Федерация
5. Никита Федорович Морозов (Докладчик), Елена Георгиевна Земцова (Докладчик), Владимир Михайлович Смирнов (Докладчик), Андрей Юрьевич Арбенин (Докладчик) & Miroslav Maslan (Докладчик) Новый подход к созданию металломатричных композитов, армированных карбидными наночастицами с применением селективного лазерного спекания.Современные материалы и передовые производственные технологии 25/06/19 → 28/06/19 Санкт-Петербург, Российская Федерация 26 июн 2019
6. Никита Федорович Морозов (Докладчик), Елена Георгиевна Земцова (Докладчик), Владимир Михайлович Смирнов (Докладчик) & Денис Владимирович Юрчук (Докладчик) Nanostructuring of the metallic matrix by the disperse phase (TiC) in the composites for the directed regulation of mechanical properties 16 апр 2019 World Congress on Mechanical and Mechatronics Engineering 15/04/19 → 17/04/19 Dubai, Объединенные Арабские Эмираты
7. Борис Николаевич Семенов (Докладчик), Елена Георгиевна Земцова (Докладчик), Владимир Михайлович Смирнов (Докладчик) & Павел Евгеньевич Морозов (Докладчик) Разработка жаропрочного композиционного металлического материала на основе никеля структурированного нанонитями карбида титана Инженерия поверхности. Новые порошковые композиционные материалы. Сварка 10/04/19 → 12/04/19 Минск, Белоруссия 2019
8. Никита Федорович Морозов (Докладчик), Борис Николаевич Семенов (Докладчик) & Петр Евгеньевич Товстик (Докладчик) POST-BUCKLING DEFORMATION AND FRACTURE OF A STRETCHED PLATE WITH A CRACK 7th International Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering, COMPDYN 2019 24/06/19 → 26/06/19 Hersonissos, Греция
9. Морозов, Н. Ф., Индейцев, Д. А., Muratikov, K. L., Glazov, A. L. & Vavilov, D. S., Development of the Theory of Multicomponent Media for Describing Dynamic Processes in Materials of Complex Rheology 2018, Proceedings of the First International Conference on Theoretical, Applied and experimental Mechanics. Springer Nature, стр. 412-414 3 стр.
10. Е. Г. Земцова, Д. В. Юрчук, Б. Н. Семёнов, Н. Ф. Морозов, В. М. Смирнов Получения композиционного металлического материала с двумя упрочняющими модификаторами и разработка моделей деформирования и разрушения синтезированных материалов Сборник трудов 13-й Международная конференция «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка», посвященной 60-летию порошковой металлургии Беларуси, 9-11 сентября 2020 года, стр. 160-162
11. Е. Орехов, Д. Н. Соколова, Е. Г. Земцова, А. Ю. Арбенин, В. М. Смирнов. Разработка темплатного электрохимического метода синтеза композиционного покрытия на поверхности титана перспективного для имплантации материалов Сборник трудов 13-й Международная конференция «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка», посвященной 60-летию порошковой металлургии Беларуси, 9-11 сентября 2020 года, стр. 516-518
12. Морозов Н. Ф.,Вавилов Д. С., Индейцев Д. А, Муратиков К. Л., Семенов Б. Н. О ВЛИЯНИИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЁННОГОСОСТОЯНИЯ НА ТЕРМОАКУСТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ В ТОКОПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛАХ. Современные проблемы механики сплошной среды : труды XX Международной конференции (Ростов-на-Дону, 18–21 июня 2020 г.) : в 2 т. / отв. ред. А. О. Ватульян ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2020. Т. 1. С.170-174



Патенты

1. Способ получения металлического композиционного материала с дисперсной фазой на основе углеродных наноструктур Семенов, Б. Н., Смирнов, В. М. & Земцова, Е. Г., 2019
2. Способ получения металлического композиционного материала с дисперсной фазой на основе карбида Семенов, Б. Н., Земцова, Е. Г. & Смирнов, В. М., 2019, ФИПС, Патент № 2707055
3. Способ получения композиционного покрытия на наноструктурированном титане Земцова Е. Г. ,Морозов П.Е., Смирнов, В. М., Евразийский патент 29.01.2020 № 034329


Layman's description

При решении важной проблемы энергетики - повышение эффективности процесса производства энергии на основе резкого повышения эффективности работы газовых турбин следует учитывать, что кардинально изменятся требования к функциональным характеристикам необходимых материалов для деталей турбостроения и двигателестроения.
Необходимость создания нового поколения жаропрочных композиционных металлических материалов с улучшенными механическими свойствами, способных удовлетворять всё возрастающим эксплутационным требованиям, диктуется развитием таких отраслей, как энергетика (в т.ч. водородная, термоядерный синтез), нефтехимическая промышленность, инструментальная промышленность (детали газовых турбин, режущий инструмент, бронематериалы и др.) и ряде других областей.
Областью нашего внимания является получение жаропрочных металлических материалов на основе никелевой, алюминиевой и железной матрицы для энергетики и двигателестроения. При этом задача по повышению работоспособности материалов в условиях жесткого комплексного воздействия высоких температур, напряжений и агрессивной среды является одной из важнейших.
Результаты нашей работы позволяют разработать научные основ нанотехнологии (основных параметров синтеза) получения нового поколения металлических композиционных материалов на основе процессов наноструктурирования (армирования) металлического (каркаса нанонитями (d=1-100 нм) ТiC для работы в экстремальных условиях эксплуатации газовых турбин и газотурбинных двигателей.
Важной особенностью получаемого материала является отсутствие явных границ раздела между металлической матрицей и армирующим элементом и в обеспечении связывания компонентов в единое целое. Данный аспект достигается за счет того, что нанонити армирующего элемента соединены с металлической матрицей химической связью. Атомы армирующего материала и материала матрицы, связанные друг с другом химическими связями через условную плоскость раздела, принадлежат одновременно двум согласованным структурам, в результате чего образовавшаяся условная граница раздела характеризуется низкой энергией и, следовательно, высокой прочностью.
Разрабатываемые материалы могут быть использованы для авиа-, авто-, судостроения, топливно-энергетического комплекса, атомной энергетики.

Key findings for the project

Основные результаты проведенной научно-исследовательской работы
- Проведён теоретический анализ новых объектов с многоуровневой организацией для получения композиционных металлических наноматериалов.
- Предложено экспериментальное обоснование процесса наноструктурирования металлической матрицы на основе изучения поверхностных реакций никеля или алюминия с низкомолекулярными реагентами.
- Получены данные по химическому фазовому составу и структурных характеристик полученных металлических матриц.
- Определены условия синтеза нанослоев карбида титана заданной толщины на макро- и микро- частицах никеля.
- Экспериментально разработаны параметры процесса наноструктурирования металлической матрицы нанонитями TiC (1-100 нм).
- Изучены характеристики механических свойств наноструктурированного металлического материала с нанонитями TiC,.
- Проведены модельные эксперименты, характеризующие возможность адаптации методов рентгеновской абсорбционной и фотоэлектронной спектроскопии применительно к синтезируемым нанокомпозитам с содержанием углерода (наноалмаз). Получены новые данные об атомном и электронном строении композита в котором присутствует химическое связывание матрицы и модификатора.
- Разработана методика равномерного введение в объём композита методами порошковой металлургии углеродных нановолокон или наноалмаза.
- Разработана методика нанеcения катализаторов различного типа на поверхность алюминиевых порошков, изучена кинетика и механизмы роста углеродных наноструктур на каталитических частицах различного типа, исследованы условия роста углеродных нановолокон на катализаторе, а именно эффект кривизны частицы и вида катализатора на структурые особенности углеродных наноструктур.
- Создан образец с углеродными нановолокнами с возможностью направленного регулирования механических свойств и необходимого уровня трещиностойкости.
- Разработан лабораторный регламент получения массивного (не пористого) металлического наноструктурированного образца (матрица алюминия и никеля с нанонитями TiC).
- Разработан способ получения композиционного металлического (на основе алюминия, никеля или железа) материала с двумя упрочняющими модификаторами. Проведено комплексное исследование зависимости физико-механических свойств металломатричных композитов от условий их компактирования.
- Разработан лабораторный синтез получения массивного металлического наноструктурированного образца (матрица железа или алюминия с нанонитями TiC).
- Разработан лабораторный синтез получения массивного металлического наноструктурированного образца (матрица железа или алюминия с углеродными нановолокнами, наноуглеродом).
- Разработан способ получения композиционного металлического материала и создание гибридных композитов с двумя упрочняющими модификаторами (наноуглерод и нанонити TiC ).
- Созданы гибридные композиты с двумя упрочняющими модификаторами (наноуглерод и нанонити TiC ).
- Определен химический, фазовый состав и структурные характеристики полученных образцов металлического композиционного материала с двумя упрочняющими модификаторами.
- Изучены механические свойства полученных образцов металлического композиционного материала с двумя упрочняющими модификаторами.
- Разработана методика исследования электронной структуры гибридного композитного материала с помощь специализированных источников синхротронного излучения.
- Проведено комплексное исследование механических свойств синтезированных материалов, таких как прочность, трещиностойкость, усталостная прочность. На основе разработанных моделей деформирования осуществлено компьютерное моделирование деформирования и разрушения и произведено сравнение с экспериментальнеыми результатами, по результатам которого будут верифицированы предложенные модели.
- На основе разработанных математических моделей предложены методики прогнозирования свойств синтезируемых материалов.
- Разработаны методики исследования электронной структуры композитного материала с помощь специализированных источников синхротронного излучения.

Key findings for the stage (in detail)

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ЭТАПА.
1. Разработка лабораторного регламента получения массивного (не пористого) металлического наноструктурированного образца (матрица алюминия и никеля с наноструктурами SiC).
2. Синтез лабораторного образца гибридного композита с двумя упрочняющими модификаторами. (наночастицы или нанонити TiC и SiC ).
3. Определение химического состава и структурных характеристик
полученных образцов металлического композиционного материала.
4. Определение механических характеристик полученных образцов металлического композиционного материала.
5. Разработка моделей деформирования и разрушения синтезированных материалов., учитывающих многомасштабность рассматриваемой задачи , т.е. макро-, микро- и нано- уровни.
РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО РЕГЛАМЕНТА ПОЛУЧЕНИЯ МАССИВНОГО (НЕ ПОРИСТОГО) МЕТАЛЛИЧЕСКОГО НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ОБРАЗЦА (МАТРИЦА АЛЮМИНИЯ ИЛИ НИКЕЛЯ С НАНОСТРУКТУРАМИ SiC)

В результате работы был разработан способ получения металлического композиционного материала с дисперсной фазой на основе карбида
Как известно, агломерация частиц в процессе синтеза (из-за разности углов смачивания) не позволяет достичь потенциально высоких значений механической прочности.
Разработанный нами способ не имеет указанных недостатков, предпосылки к протеканию процесса агломерации отсутствуют (при перемешивании частиц дисперсной фазы с нанесенным слоем металла с дополнительными частицами матрицы для регулирования соотношения металла и дисперсной фазы (об.%) ) в силу того факта, что соприкасаются поверхности твердых частиц одного химического состава.
Разработан лабораторный регламент получения композиционного материала на основе металлической матрицы (на примере никелевой матрицы) и дисперсной фазы SiC, включающий
- Общие положения
- Общая характеристика получения
- Содержание регламента
- Характеристика готового продукта
- Характеристика сырья, материалов, полупродуктов
- Химическая схема производства
- Технологическая схема получения продукта, аппаратурная схема получения продукта, спецификация оборудования
- Материальный баланс
- Технико-экономические показатели
- Безопасная эксплуатация процесса
- Использованная нормативные документы:

СИНТЕЗ ЛАБОРАТОРНОГО ОБРАЗЦА ГИБРИДНОГО КОМПОЗИТА С ДВУМЯ УПРОЧНЯЮЩИМИ МОДИФИКАТОРАМИ (НАНОЧАСТИЦЫ И НАНОНИТИ TiC И SiC )
В данном подходе к синтезу гибридного композита положено нестандартное решение в котором исходным объектом для синтеза композиционного материала на основе металлической матрицы (никель) и упрочняющих частиц в виде дисперсной фазы карбид кремния и карбид титана, состава ядро-оболочка .
Образец получают по лабораторному регламенту описанному в главе 1. Вносятся только корректировка на то, что в качестве дисперсных частиц вводят частицы как карбида титана, так и карбида кремния, со структурой ядро-оболочка в равном процентном соотношении по массе (50% х 50%). Такой подход позволяет получать структуру композиционного материала, где в объеме металлической матрицы равномерно распределялись наночастицы TiC и SiC без их коагуляции (укрупнения).
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления композита с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами, обладающего необходимыми механическими свойствами.
Для регулирование объемной доли упрочняющих наночастиц и наночастиц металлической матрицы проводили перемешивание частиц дисперсной фазы с нанесенным слоем металла с дополнительными наночастицами матрицы для регулирования соотношения металла и дисперсной фазы (об.%) на планетарной шаровой мельнице Retsch PM100 CM при 150 об / мин в течение 20 мин
По разработанной схеме лабораторного регламента были синтезированы образцы металлического композиционного материала на основе никеля с нанесенными упрочняющими частицами SiC и TiC в процентном отношении 2%, 4%, 8%
Таким образом, разработанный подход к синтезу композиционного металлического материала с двумя упрочняющими модификаторами включает ряд последовательных стадий:
На первой стадии проводится подготовка поверхности стандартных наночастиц карбида титана химическим методом, размер частиц 5 - 50 нм. В результате такой подготовки на поверхности карбида титана образуется монослой железокислородных групп.
В результате второй стадии на поверхности карбида титана образуется нанослой железокислородных групп с разной толщиной нанослоя (зависит от времени обработки наночастиц методом СVD).
В результате третьей стадии на поверхности карбида титана образуется нанослой из наночастиц металлического железа, за счёт восстановления образца (порошок карбида титана с нанослоем железокислородных групп) в токе водорода.
Также параллельно происходит синтез углеродных нановолокон УНВ на поверхности порошка алюминия.
На четвертой стадии происходит смешение наночастиц карбида титана покрытых металлическим железом с порошком частиц железа или алюминия размером 60 - 80 нм (матрицей) и порошком алюминия с УНВ на поверхности алюминия ( 1 и 0,5 масс.% углерода).
На пятой стадии образцы уплотнялись холодным прессованием под давлением 800 МПа, а затем нагревались пресс-формой до 480 °С с окончательным горячим прессованием 800 МПа.
Такой подход позволяет получать структуру композиционного материала, где в объеме металлической матрицы равномерно распределялись нанонити TiC и наноуглерода без их коагуляции (укрупнения).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУЧЕННЫХ ОБРАЗЦОВ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА.
Исследование поверхностных структур никеля на поверхности SiC и TiC проводилось методами EDX и сканирующей электронной микроскопии. Метод EDX использовался для экспресс-оценки качественного состава образцов на наличие или отсутствие никеля в составе. Согласно данным EDX, исходные порошки SiC и TiC содержат примесные количества вольфрама и железа, а после синтеза в составе обнаружены достаточно большие количества никеля и примесные количества фосфора (из реакционной смеси) и палладия и олова (адсорбированные во время процесса активации).
Результаты СЭМ показывают, что до проведения активации исходные частицы TiC представляет собой кристаллические частицы размером до 100 нм. После 1 цикла синтеза поверхностных никелевых структур вид поверхность TiC изменяется, можно наблюдать шероховатых поверхностный слой, состоящий из глобул.
Для оценки состава образцов SiC до и после синтеза никеля на поверхности одновременно с СЭМ исследовался элементный состав образцов.После проведения 1 цикла осаждения никеля на поверхности SiC или TiC элементная карта порошка меняется. Сканирующая электронная микроскопия не позволяет однозначно оценить в каком виде находится никель в составе - в виде металла или в виде фосфатной соли, поэтому для понимания данного вопроса далее проводился рентгенофазовый анализ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУЧЕННЫХ ОБРАЗЦОВ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА.
Для исследования механической прочности полученных образцов металлического композиционного материала на основе никеля наноструктурированного упрочняющим карбидным каркасом (ТiC ) определяли предел прочности (временное сопротивление в ) при комнатной температуре на разрывной машине AG – 50KNXD (Япония) в ресурсном центре инновационных технологий композиционных материалов СПбГУ. Погрешность определения предела прочности составляет ±8 %.
Механические свойства полученных композиционных материалов на основе никеля с дисперсной фазой ТiC лучше чем у никеля в два раза. Следует учитывать, что получаемые материалы, очевидно, могут иметь более высокие механические свойства, если учесть, что для них характерна остаточная внутренняя пористостью (5%).
Измерения жаропрочности проводили также на разрывной машине AG – 50KNXD (Япония), в рабочем пространстве которой было установлено нагревательное устройство с дополнительными устройствами для крепления образцов. Были проведены исследования по стабильной эксплуатации образцов при 10000С. Образцы прокаливались при температуре 1000 0С в течении 100 часов при нагрузке 100МПа. Затем снова проводилось определение предела прочности
Таким образом, создание металлического композиционного материала, структурированного частицами карбида титана и карбида кремния позволяет получить композиционный материал, где в объеме металлической (никелевой) матрицы равномерно распределялись наночастицы без их коагуляции (укрупнения), что позволяет считать, что этот метод получения является перспективным направлением получения композиционных металлических материалов нового поколения.
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНЫХ СВОЙСТВ СОЗДАВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ
Оценка эффективных модулей нанокомпозита, армированного нанонитями может быть произведена на базе существующих микромеханических моделей либо конечноэлементного моделирования с выбором соответствующего представительного объема. Конечно-элементный подход при моделировании эффективных модулей связан с определенными трудностями, обусловленными прежде всего разномасштабностью включений (нанонитей) и матрицы, а также произвольной ориентацией включений. Поэтому для оценки и прогнозирования свойств создаваемых материалов был выбран поход, основанный на микромеханическом моделировании.
Показано, что армирующие углеродные нановолокна оказывают существенное влияние на прочностные свойства нанокомпозита. Магистральная трещина при приближении к нановолокну может либо изменить траекторию, при этом концентрация напряжений в конце трещины уменьшается и происходит остановка трещины. Если же развитие трещины продолжается без изменения траектории, то по мере приближения к армирующему волокну происходит уменьшение концентрации напряжений в вершине трещины, однако на границе волокно-матрица в окрестности вершины трещины наблюдается высокая концентрация сдвиговых напряжений, которая может привести к частичному отслоению армирующего волокна от матрицы. Эта ослоившаяся часть волокна работает как дополнительная «пружина», принимающая часть нагрузки на себя. Заметим, что концентрация напряжений в ослоившейся от матрицы части волокна выше, чем в волокне без отслоения.

Получены новые данные об атомном и электронном строении композита, в котором присутствует химическое связывание матрицы и модификатора.
В результате проведенной научно-исследовательской работы получены следующие результаты:
1. Разработан лабораторный регламент получения массивного (не пористого) металлического наноструктурированного образца (матрица алюминия и никеля с нанонитями SiC).
2. Синтезирован лабораторный образец гибридного композита с двумя упрочняющими модификаторами. (наночастицы и нанонити TiC и SiC ).
3. Определен химический состава и структурные характеристики
полученных образцов металлического композиционного материала.
4. Определены механические характеристики полученных образцов металлического композиционного материала.
5. Разработана методы расчета эффективных свойств создаваемых материалов
Разработка рекомендаций по использованию результатов проведенных НИР в образовательном процессе.
Результаты полученные в ходе проекта могут быть использованы для модернизации курсов лекции: «Гетерогенные химические реакции», «Композиционные наноматериалы». Модернизация курсов, поможет более полно изучить природу гетерогенных химических реакций на поверхности и в объёме металлической матрицы, а также расширит кругозор студентов по композиционным наноматериалам на основе металлической матрицы.
Оценка полноты решения задач.
Цели и задачи, поставленные в проекте на данном этапе работы, а также по всему проекту решены в полной мере.
Оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем
Предлагаемые в проекте общие подходы к синтезу наноструктурированных металлических наноматериалов соответствуют мировому уровню о области материаловедения наноструктурированных материалов.
Отличительной особенностью получаемого композиционного материала является отсутствие явных границ раздела между металлической матрицей и армирующим элементом и в обеспечении связывания компонентов в единое целое не достижимого в рамках других методов синтеза.
Разработка рекомендаций по возможности использования результатов проведенных НИР в реальном секторе экономики
При решении важной проблемы энергетики ─ повышение эффективности процесса производства энергии на основе резкого повышения эффективности работы газовых турбин следует учитывать, что кардинально изменятся требования к функциональным характеристикам необходимых материалов для деталей турбостроения и двигателестроения.
Научная работа, проведённая на данном этапе, позволит разработать легкие и сверхлегкие композиты которые будут способны заменить сталь в аэрокосмической и автомобильной промышленности. Это приведёт к уменьшению веса конструкции и улучшению топливной эффективности.
Результаты этапа:
В результате этапа НИР опубликовано и принято в печать : 2 статъи в научных журналах, получен патент №2707055 от 21.11.2019 «Способ получения металлического композиционного материала», получен Евразийский патент № 034329 «Способ получения металлического композиционного материала» (январь 2020), авторы Земцова Елена Георгиевна, Смирнов Владимир Михайлович, Морозов Павел Евгеньевич (правообладатель СПбГУ).
Подано заявок на внешнее финансирование на сумму 6.0 млн. руб., из них одобрено финансирование в 2020 году на сумму 6,0 млн. рублей на 2020 год.
Международное сотрудничество.
Установление сотрудничества в рамке научных тематик лабораторий с Палацким Университетом (Palacky University), Чехия.
Обобщение и оценка результатов исследований.
Основные результаты проведения НИР в целом состоят в разработке принципиально нового подхода к получению металлического композиционного материала. Важной особенностью получаемого материала является отсутствие явных границ раздела между металлической матрицей и армирующим элементом.
Цели и задачи, поставленные в проекте, решены в полной мере. Уровень научно-исследовательской разработки соответствует мировому уровню и носит инновационный характер.

Key findings for the stage (summarized)

Объектом исследования являются металлические композиционные материалы.
Цель работы - разработка научно-технологических основ получения композиционного материала на основе никеля и алюминия, армированного карбидными частицами ядро-оболочка для создания новых легких и сверхлегких металлических композитов с улучшенными свойствами и высокими удельными характеристиками.
В процессе работы использовались ряд методов исследования, в том числе аналитический (на базе литературно-патентного анализа) и экспериментально - сравнительный методы.
В результате исследования была разработан лабораторный регламент получения массивного (не пористого) металлического наноструктурированного образца (матрица алюминия и никеля с ядро-оболочка SiC и TiC).
Были синтезированы лабораторные образецы гибридного композита с двумя упрочняющими модификаторами. (наночастицы TiC и SiC ).
Область применения - стратегической областью развития является направление создания новых металлических легких и сверхлегких композитов с улучшенными свойствами и высокими удельными характеристиками для аэрокосмической и автомобильной промышленности.

Academic ownership of participants (text description)

Н. Ф.Морозов - Общее руководство НИР,Разработка методов расчета эффективных свойств создаваемых материалов
Б. Н. Семенов - Разработка методов расчета эффективных свойств создаваемых материалов,
В. М. Смирнов - Разработка лабораторного регламента получения массивного (не пористого) металлического наноструктурированного образца (матрица алюминия и никеля с наноструктурами SiC
Ю. В. Петров - Разработка методов расчета эффективных свойств создаваемых материалов, Заключение
П.С. Корусенко - . Определение структурных характеристик полученных образцов металлического композиционного материал
Е. Г. Земцова - Синтез лабораторный образец гибридного композита с двумя упрочняющими модификаторами. (наночастицы TiC и SiC )
Ю. В.Сидоров - Определение механических характеристик полученных образцов металлического композиционного материала
А. Ю.Арбенин - Синтез лабораторный образец гибридного композита с двумя упрочняющими модификаторами. (наночастицы TiC и SiC ). Определение химического состава полученных образцов металлического композиционного материала
Д. В. Юрчук - Синтез лабораторный образец гибридного композита с двумя упрочняющими модификаторами. (наночастицы TiC и SiC
А.Н. Пономарева - Определение химического состава и структурных характеристик полученных образцов металлического композиционного материала

Transfer of the full copy of the report to third parties for non-commercial use: permitted/not permitted

не разрешается

Rationale of the interdisciplinary approach

Проект имеет междисциплинарный характер, т.к. в нем рассматриваются три научные проблемы, решаемые при создании нового поколения металлических (Al, Ni) гибридных нанокомпозиционных материалов с улучшенными механическими свойствами и жаропрочными свойствами:
1. Разработка научные основ нанотехнологии (основных параметров синтеза) получения нового поколения металлических композиционных материалов на примере алюминия и никеля на основе процессов наноструктурирования (армирования) металлического каркаса наночастицами или нанонитями (d=1-100 нм) TiC или SiC для работы в экстремальных условиях эксплуатации газовых турбин и газотурбинных двигателей. Для решение этой задачи необходимо привлечение специалистов в области химии твердого тела
2. Теоретическое исследование механизмов пластической деформации и разрушения синтезированных материалов. Разработка моделей деформирования и разрушения синтезированных материалов с учетом наноразмерности включений. Разработка методов расчета и прогнозирования эффективных свойств создаваемых материалов. Для решение этой задачи необходимо привлечение специалистов в области механики деформируемого твердого тела и компьютерного моделирования.

3. Проблема адаптации современных методов рентгеновской спектроскопии с использованием синхротронного излучения (СИ) для характеризации атомного и электронного строения новых гибридных нанокомпозитных материалов. Для изучения свойств синтезируемых материалов необходимо привлечение физиков, специализирующихся в области электроники твердого тела.


Межотраслевой характер проекта подтверждается тем, что выполняемая в рамках проекта работа является пионерской в области материаловедения наноструктурированных материалов.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.
Разрабатываемые материалы могут быть использованы для авиа-, авто-, судостроения, топливно-энергетического комплекса, атомной энергетики.
Разработанные компьютерные модели дадут возможность уменьшить объем экспериментальных исследований.

Rationale of the intersectoral approach

Межотраслевой характер проекта подтверждается тем, что выполняемая в рамках проекта работа является пионерской в области материаловедения наноструктурированных материалов.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.
Разрабатываемые материалы могут быть использованы для авиа-, авто-, судостроения, топливно-энергетического комплекса, атомной энергетики.
Разработанные компьютерные модели дадут возможность уменьшить объем экспериментальных исследований.
Short titleGZ-2020
AcronymM3_2018 - 3
StatusFinished
Effective start/end date20/04/2031/12/20