Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии получения беспористых нанокомпозитных керамических материалов с повышенными эксплуатационными свойствами, модифицированных углеродными нановолокнами и графеном

Докладчик: Торресильяс Рамон СанМилан

Должность: Доктор философии (PhD) в области физики (Испания, 1990), Доктор философии (PhD) в области материаловедения и машиностроения (Франция,1994), начальник лаборатории искрового плазменного спекания

Цель проекта:
Современные прогрессивные керамические материалы имеют огромный потенциал для решения большого числа проблем в различных высокотехнологичных отраслях, таких как машиностроение, энергетическая отрасль, авиакосмическая и оборонная промышленность, автомобилестроение. Однако, традиционно, керамические материалы имеют низкую трещиностойкость, тепло – и электропроводность. Указанные недостатки ограничивают сферу применения керамических материалов. Одним из наиболее перспективных путей решения указанных недостатков является получение упрочненных керамических материалов, армированных вторичной электропроводящей фазой. Углеродные материалы и, в особенности, наноуглеродные материалы, являются наиболее предпочтительным кандидатами для их использования в качестве вторичной фазы благодаря их отличным свойствам электропроводности и соотношения сторон. Углеродные нанотрубки и нановолокна являются, в данном случае, интересным материалом из-за их высокого соотношения длины к диаметру. Эта особенность позволяет добавлять небольшой объём данного типа углеродных наноматериалов в керамическую матрицу. При этом, данный, небольшой объем вторичной фазы делает нанокомпозит электропроводным, а его физико-механические свойства остаются неизменными или, в большинстве случаев, возрастают. Однако, одними из наиболее известных проблем, с которыми сталкиваются исследователи при создании такого рода материалов, является неравномерное распределение углеродных нанотрубок и нановолокон по всему объему керамической матрицы и создание высокоплотных наноструктурированных керамических материалов из данных композиций порошков. Большинство научно - исследовательских работ по созданию керамических/углеродных нанокомпозитных керамических материалов относится к введению одномерной вторичной фазы (углеродные нанотрубки и нановолокна) в керамическую матрицу. При этом, из-за высокого отношения длины к диаметру у одномерных углеродных материалов в нанокомпозите существенно возрастает порог перколяции по сравнению с другими равносторонними материалами вторичной фазы. Однако, в последнее время, в связи с открытием нового двумерного материала – графена и благодаря его превосходным свойствам электропроводности, прочности и отношения удельной поверхности к его массе в настоящий момент графен является наиболее привлекательным материалом в качестве вторичной фазы в нанокомпозитном керамическом материале. В настоящий момент установлено, что общим недостатком при добавлении графена является также его неравномерное распределение по всему объему керамической матрицы и тенденции графена к образованию агломератов. Одним из вариантов решения данной проблемы является использование оксида графена в качестве материала для вторичной фазы. Это может помочь получать лучшее его распределение по всему объему керамической матрицы. Но, в данном случае, необходим второй этап обработки – восстановление графена. При этом, в настоящий момент, слабым звеном являются традиционные методы консолидации порошковых материалов, такие как холодное прессование и спекание при высоких температурах, горячее прессование и горячее изостатическое прессование. Это связано с ограничением данных методов получать наноструктурированные керамические материалы из-за существенного роста зерна, по сравнению с размером исходных порошковых материалов, в процессе его консолидации при помощи данных методов. На сегодняшний день только один метод консолидации позволяет по-настоящему наноструктурированные керамические материалы. Данным методом является искровое плазменное спекание (ИПС), который является многообещающей технологией консолидации ультрадисперсных (наноразмерных) высокоплотных керамических материалов. Однако необходимо формирование новых научных знаний о процессе консолидации керамических материалов с добавлением наноуглеродных частиц методом ИПС. Это связано с тем что механизмы консолидации данных материалов в настоящее время недостаточно ясны и пока не разработана промышленная технология их получения. Таким образом, конечной целью проекта является создание наноструктурированных керамических материалов, модифицированных углеродными нанокластерами, с улучшенными физико - механическими свойствами, значительно превосходящими существующие аналоги по следующим параметрам: с пониженной не менее чем в 10 раз пористостью, повышенным в 2 и более раза трещиностойкостью, в 1,5 и раза и более стойкостью к термоудару, в 1,3 раза и более теплопроводностью. Поставленная цель достигается путём функционализации наночастиц графена и оксида графена, углеродных нанотрубок и нановолокон для их равномерного, без образования агломераций распределения по всему объему керамической матрицы. И последующей разработки технологических параметров спекания полученных смесей керамических нанокомпозитов с помощью инновационного процесса гибридного искрового плазменного спекания.

Основные планируемые результаты проекта:
В соответствии с темой и главной целью проекта в ходе его реализации получены следующие научно-технические результаты:
1) разработана методика функционализации частиц графена и оксида графена, углеродных нанотрубок и нановолокон в целях их более равномерного распеределения по всему объему керамической матрицы без образования агломераций;
2) описаны научные и технологические принципы консолидации керамических материалов с добавлением углеродных нанокластеров методом гибридного искрового плазменного спекания.
На последующих этапах проекта планируется получить следующие научно технические результаты:
1) получение высокоплотого керамического с добавлением углеродных нанотрубок и нановолокон нанокомпозита методом гибридного искрового плазменного спекания;
2) получение высокоплотого керамического с добавлением наночастиц графена нанокомпозита методом гибридного искрового плазменного спекания;
3) получение высокоплотого керамического с добавлением углеродных наночастиц оксида нанокомпозита методом гибридного искрового плазменного спекания;
4) проведене работ по изучению свойств полученных инновационных нанокомпозитных материалов;
5) проведены работы по разработке плана перехода от лабораторных технологий к опытно-промышленному производству нновационных нанокомпозитных материалов;
6) проведены работы по внедрению полученных результатов в реальном секторе экономики.

В данном проекте ожидается создание новых типов материалов с улучшенными, по сравнению с аналогами, свойствами, применяя оригинальные и принципиально новые решения. Данных подход позволит добиться расширения спектра данных материалов, а также прорыва в различных высокотехнологичных отраслях при их применении.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Научная группа в проекте фокусирует свое внимание на высокотехнологичных областях промышленности, где необходимо использование с очень высоким коммерческим потенциалом следующих инновационных керамических материалов:
- электропроводная керамика для различных приложений, которую можно получить путём включения нановолокон, графена и оксида графена в керамическую матрицу;
- высокотемпературная ударопрочная керамика для общепромышленного применения в ответственных узлах машин и механизмов;
- материалы с нулевым (близким к нулевому) коэффициентом термического расширения с высокой термической стабильностью для авиационно-космической индустрии;
- нанокомпозиты на основе керамической матрица, применяемые для отвода тепла в электронных устройствах высокой мощности, двигателях и силовой электроники;
- высокопрочные керамические композиты с высокой стойкостью к истиранию, удару, с увеличенной продолжительностью срока эксплуатации в различных применения.

Индустриальный партнёр проекта ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" проявляет значительную заинтересованность в инновационных керамических материалах по двум основным направлениям:
- применение инновационных керамических материалов с повышенным комплексом свойств для производства инновационного режущего инструмента специализированного назначения (основное направление деятельности предприятия); данное направление является крайне перспективным для исследования возможностей полученных экспериментальным путём материалов для производства специализированного режущего инструмента при применении в различных технологиях резания уникальных инновационных материалов;
- применение инновационных керамических материалов с повышенным комплексом свойств для нужд партнёров предприятия; данное направление основывается на большом опыте и высокой квалификации коллектива предприятия в области подготовки состава исходных смесей и обработки керамических материалов и производства готовой продукции, а также стандартизации материалов, технологий и продукции.

С большой долей вероятности можно сказать, что использование углеродных нанотрубок и нановолокон произведёт революцию в области новых материалов и технологий, а также открывает дорогу нанотехнологиям в российскую промышленность. По данным современных аналитических систем мировой рынок углеродных нановолокон увеличился с 1,3 млрд. рублей (2006 г.) до 1,45 млрд. рублей (2012 г.) и, по предварительным оценкам может вырасти до 25 млрд. рублей к 2017 году. Совокупные ежегодные темпы роста составляют более 35%. Углеродные нанометериалы представляют большой интерес в определенных отраслевых сегментах, где применяемые сейчас материалы характеризуются ограниченной производительностью или гораздо более высокой ценой. Поэтому экономический эффект в результате включения углеродных нановолкон в нанокомпозиты будет существенным.
Опираясь на зарубежный опыт, существует мнение, что при интегральном подходе к развитию материалов и технологий, например в прорывных космических направлениях исследования, в экономике автоматически появится спрос на инновационную наукоемкую продукцию. По оценкам зарубежных аналитиков, развитие и комплексное внедрение новых материалов и методов их обработки поможет вывести мировую экономику из кризиса за счет большего спроса на высокотехнологичную научную продукцию, особенно в таких секторах экономики, где традиционно существует высокая потребность в инновационных материалах и технологиях.


Текущие результаты проекта:
Согласно плану-графику исполнения обязательств выполнен аналитический обзор современной научно-технической литературы, проведено обоснование выбора и направлений исследований, методов и средств изучения структуры и свойств экспериментальных образцов. Разработаны технологические требования для материалов разрабатываемых композитов, исходных порошковых материалов и функционализированных наночастиц графена, оксида графена, углеродных нанотрубок и нановолокон. Согласно полученным результатам исследовательская группа планирует сконцентрироваться на получении методом гибридного искрового плазменного спекания высокоплотных нанокомпозитных материалов из следующих керамических матриц: три карбидных матрицы, такие как карбид вольфрама, карбид кремния и карбид бора; одной нитридной, такой как нитрид титана в комбинациях с некоторыми оксидами, такими как оксид алюминия и оксид циркония.
Проведены работы по функционализации исходного углеродного сырья в целях устранения проблем интеграции в керамическую матрицу. Получены функционализированные углеродные нанотрубки и нановолокна, графена и оксида графена, исследованы их свойства.
Теоретически описаны научные принципы спекания наноструктурированных керамических материалов с добавлением углеродных нанокластеров методом искрового плазменного спекания. Для этого были применены новые разработанные методы теории нуклеации. Сам процесс нуклеации наночастиц в плазме электрического пробоя является новым и еще не рассматривался в научной литературе. Основным рассматриваемым эффектом является ускоренная нуклеация наночастиц путем введения дополнительных примесей, состоящих из 1d и 2d углеродных материалов: нанотрубки, графен и оксид графена. Введение дополнительных углеродных нанокластеров существенно снижает порог электрического пробоя вокруг наночастиц за счет взаимодействия поверхностных мод наночастиц и плотного облака электронов, выступающих за геометрические размеры 1d и 2d углеродного кластера, описываемой функцией плотности периодической структуры углеродной решетки графена. Причем проводимость в графене существенно выше чем в керамической матрице, таким образом коэффициенты и константы нуклеации резко повышаются и скорость роста кластера при спекании керамических наночастиц с 1d и 2d углеродными кластерами резко повышается при одновременном понижении порога электрического пробоя. Представленное теоретическое описание процесса является новым, как с экспериментальной, так и с теоретической точек зрения.
Проведены работы по достижению показателей результативности проекта.
Полученные результаты полностью соответствуют задачам, стоящим перед коллективом на 1-м этапе проекта. Литературный обзор и описание научных и технологических принципов консолидации показывают широкие перспективы создания функциональных материалов из керамических наночастиц с добавлением углеродных нанокластеров с уникальными, еще не изученными свойствами, при помощи метода гибридного искрового плазменного спекания, являющийся на сегодняшний день наиболее перспективным методом для создания такого рода материалов.
Достигнутые на сегодняшний день результаты по функционализации исходных исходных углеродных нанокластеров позволяют сделать вывод об устранении проблем их равномерной интеграции без наличия агломераций в керамических матрицах.
Таким образом полученные результаты являются базой для успешного продолжения проекта, а именно получения на последующих этапах проекта высокоплотного керамического материала с добавлением модифицированных добавок - углеродных нанокластеров, с улучшенным комплексом свойств.