Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.577.21.0089

Руководитель: Торресильяс Рамон Санмилан

Должность руководителя: директор лаборатории

Докладчик: Торресильяс Рамон Сан-Миллан, начальник лаборатории

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
нанокомпозиты, наноматериалы, углеродные нановолокна, углеродные нанотрубки, графен, оксид графена, керамики, износостойкие жаропрочные материалы, материалы с нулевым термическим расширением, искровое плазменное спекание, гибридное горячее прессование-искровое плазменное спекание.

Цель проекта:
Цели выполнения ПНИ: 1. Создание наноструктурированных керамических материалов, модифицированных углеродными нанокластерами, с улучшенными физико-механическими свойствами, значительно превосходящими существующие аналоги по параметрам: с пониженной не менее чем в 10 раз пористостью, повышенными в 2 и более раза трещиностойкостью, в 1,5 раза и более стойкостью к термоудару, в 1,3 раза и более теплопроводностью. 2. Получение функционализированного графена и оксида графена. 3. Получение функционализированного графена, оксида графена и нановолокон, которые могут быть интегрированы в керамическую матрицу и производственный процесс получения керамических нанокомпозитов. 4. Разработка технологии обработки керамических нанокомпозитов с помощью гибридного искрового плазменного спекания для получения плотных образцов с повышенным комплексом эксплуатационных свойств.

Основные планируемые результаты проекта:
Основной результат - новое поколение высокотвердых и высокопрочных с повышенными режущими свойствами сменных многогранных керамичеких нанокомпозитных режущих пластин, для обработки закаленных высокотвердых сталей и жаропрочных сплавов, полученных методом гибридного искрового плазменного спекания.
Будут получены новые режущие материалы со следующими свойствами:
- пористость, не более 0,01%.
- размер зерна нанокристалла, не более 20 нм.
- трещиностойкость, не менее 13 МПа*м1/2.
- стойкость к термоудару (ГОСТ Р 52542-2006), не менее 15 теплосмен.
- теплопроводность, не менее 40 Вт/м*К.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом является новое поколение сменных многогранных керамических режущих пластин, взамен зарубежным аналогам, с повышенными по сравнению с ними режущими свойствами. Прежде всего применяемых для обработки труднообрабатываемых закаленных сталей и жаропрочных сплавов.
Применяются передовые методики подготовки композиций нанопорошков, их инновационное гибридное искровое плазменное спекание. Исследования свойств базируются на основе передовых методов и методик, применяется современное инновационное научно-исследовательское оборудование. Для изготовления из полученных материалов режущих пластин применяется электроэрозионная обработка и высокоточное алмазное шлифование. Изготовленные режущие пластины проходят эксплуатационные испытания на примере механообработки жаропрочных сплавов на основе никеля. Результаты сравниваются с результатами аналогичных эксплуатационных испытаний керамических режущих пластин производства ведущих зарубежных фирм, используются пластины, рекомендованные производителем для этой марки сплава.
Приведенный проведенный и планируемый в дальнейшем комплекс современных передовых научно-исследовательских работ позволяет в полной мере решить все поставленные перед ПНИ цели и задачи, что позволит в дальнейшем не только решить важнейшую стратегическую проблему импортозамещения режущих инструментов для металлообработки, но, и превзойти по свойствам стойкости и надежности керамические режущие инструменты ведущих зарубежных производителей.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Индустриальным партнером проекта является ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ» проявляет значительную заинтересованность в инновационных керамических материалах по двум основным направлениям:
1) применение инновационных керамических для производства инновационного режущего инструмента специализированного назначения (основное направление деятельности предприятия);
2) применение инновационных керамических материалов для нужд парт-нёров предприятия.
Возможные приложения инновационных материалов:
- WC+nC: режущие пластины, пресс – формы, микроинструмент, электроды для микро - электроэрозионной обработки;
- SiC +nC: режущие пластины, микроинструмент;
- B4C+nC: сверхпрочная керамика с невысокой удельной плотностью;
- TiN+nC: обладает хорошими электропроводными свойствами, может использоваться в связке с WC.

Текущие результаты проекта:
На первом этапе проекта проведены аналитический обзор современной технической, нормативной, методической литературы, патентный поиск. Проведено обоснование направлений исследований.
Основываясь эффектах упрочнения керамической матрицы углеродными наночастицами вследствие их равномерного распределения по всему объему керамической матрицы с обязательным образованием химических связей между используемыми углеродными наноматериалами и керамической матрицей для обеспечения химических связей поверхности исходных нитридных и карбидных частиц матрицы применяется дополнительная функционализация углеродных наночастиц, которая создает на их поверхности функциональные оксидные группы. Также, данная дополнительная обработка необходима для повышения химической чистоты и кристаллической однородности углеродных наноматерилов и повышения безопасности работы с ними.
Основным достигнутым на первом этапе экспериментальным результатом проекта является разработка простого и масштабируемого метода функционализации исходных углеродных наночастиц. Данный метод состоит из трёх основных этапов: 1) механическая модификация; 2) термическая очистка; 3) химическая функционализация.
Еще одним основным результатом проведенной работы является микрофизическое описание процесса спекания керамических частиц с добавлением углеродных нанокластеров методом искрового плазменного спекания. Установлено, что добавление на поверхность частиц углеродной матрицы ультрамалых 1d и 2d углеродных наночастиц существенно понижает порог энергетического пробоя, добавляя в систему так называемые «затравочные» электроны, что ведёт к общему понижению мощности спекания и повышению скорости нуклеации. Тем самым обеспечивается фундаментальный закон упрочнения нанокомпозитных материалов – снижается средний размер зерна в консолидированном высокоплотном нанокомпозите.
На втором этапе проекта проведены работы по «Разработке, изготовлению и исследованию беспористых наноструктурированных керамических материалов, модифицированных функционализированными углеродными нанотрубками и нановолокнами». Проведены исследования различных методов сырья из функционализированных углеродных нановолокон, предназначенных для получения различных керамических композитов. Проведены исследования оптимальных режимов подготовки смеси исходных порошковых материалов для изготовления керамических композитов, модифицированных функционализированными углеродными нанотрубками и нановолокнами. Разработан лабораторный регламент получения смесей из исходных керамических порошковых материалов на основе нитридов и карбидов и функционализированных углеродных нанотрубок и нановолокон. Разработаны оптимальные параметры спекания полученных смесей порошковых материалов, модифицированных функционализированными углеродными нанотрубками и нановолокнами, методом гибридного искрового плазменного спекания. Разработан лабораторный регламент получения беспористых наноструктурированных керамических материалов, модифицированных углеродными нанотрубками и нановолокнами. Изготовлены экспериментальные образцы наноструктурированного керамического материала, модифицированного функционализированными углеродными нанотрубками и нановолокнами. Измерена плотность полученных наноструктурированных керамических материалов, модифицированных углеродными нанотрубками и нановолокнами. Проведены микроструктурные исследования полученных наноструктурированных керамических материалов, модифицированных углеродными нанотрубками и нановолокнами. Проведены исследования фазового состава полученных наноструктурированных керамических материалов на основе нитридов и карбидов, модифицированных углеродными нанотрубками и нановолокнами. Проведены работы по достижению показателей результативности проекта.Проведены исследования механических характеристик полученных наноструктурированных керамических материалов, модифицированных углеродными нанотрубками и нановолокнами. Проведены измерения тепловых свойств полученных наноструктурированных керамических материалов, модифицированных углеродными нанотрубками и нановолокнами. Разработан проект лабораторного регламента изготовления экспериментальных образцов режущих пластин из полученных керамических нанокомпозитных материалов, модифицированных функционализированными углеродными нанотрубками и нановолокнами. Изготовлены экспериментальные образцы режущих пластин из полученных керамических нанокомпозитных материалов, модифицированных функционализированными углеродными нанотрубками и нановолокнами. Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов режущих пластин из полученных керамических нанокомпозитных материалов, модифицированных функционализированными углеродными нанотрубками и нановолокнами.
На третьем этапе проекта ведутся работы по «Разработке, изготовлению и исследованию беспористых наноструктурированных керамических материалов, модифицированных функционализированными наночастицами графена». Проведены исследования оптимальных режимов получения функционализированных наночастиц графена. Разработан лабораторный регламент на процесс изготовления функционализированных наночастиц графена. Изготовлены экспериментальные образцы функционализированных наночастиц графена. Проведены исследования функционализированных наночастиц графена по разработанной программе и методикам исследований. Проведены исследования оптимальных режимов подготовки смеси исходных порошковых материалов для изготовления керамических композитов, модифицированных функционализированными наночастицами графена. Разработан лабораторный регламент получения смесей из исходных керамических порошковых материалов на основе нитридов и карбидов и функционализированных углеродных наночастиц графена. Разрабатываются оптимальные параметры спекания полученных смесей порошковых материалов, модифицированных наночастицами графена методом искрового плазменного спекания.