14.577.21.0090

Создание наноструктурированных керамических материалов, модифицированных углеродными нанокластерами, с
улучшенными физико-механическими свойствами и значительно превосходящими существующие аналоги по следующим
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.

На сегодняшний день наблюдается высокая потребность современной науки и техники в новых конструкционных и функциональных материалах способных работать в условиях высоких температур, давлений, глубокого вакуума, агрессивных средах и т.д. Широкое применение находят различные металлы, сплавы, полимеры, керамические материалы и композиты на их основе. Особое место в этом ряду занимают керамики и композиты на их основе, так как многие ключевые физико-механические и технологические характеристики этих материалов (термостойкость, теплопроводность, коррозионная стойкость, плотность) значительно превышают аналогичные показатели металлов и полимеров. Несмотря на высокие функциональные свойства, механические характеристики традиционных керамик оставляют желать лучшего. В частности низкая прочность и трещиностойкость сильно ограничивают области применения керамических материалов. Одним из перспективных путей повышения их физико-механических свойств может стать наноструктурирование керамической матрицы и упрочнение наноразмерными высокомодульными фазами, например фуллереном С60. Такие материалы при сохранении своих функциональных свойств обладают значительно более высокими механическими и технологическими свойствами, что открывает новые возможности их применения в различных областях науки и техники.

Объектами исследования данной работы  являются методы, технологии, аппаратура и составы материалов для экспериментальной отработки технологии получения беспористых наноструктурированных керамических материалов на основе нитридов, карбидов и оксидов, модифицированных углеродными нанокластерами, с улучшенными физико-механическими свойствами.

В качестве исходных материалов применяются керамические порошки оксидов, карбидов и нитридов. В качестве модифицирующей добавки применяли фуллерен С₆₀. Наноструктурирование и смешивание исходных материалов осуществляли в высокоэнергетических шаровых мельницах планетарного и гравитационного типа. Для избегания окисления и протекания других не желательных реакций все манипуляции с исходными материалами и полученными порошками проводили в защитной атмосфере инертного газа. После размола порошки подвергали синтезу в камерах высокого давления типа торроид различной конструкции и типоразмеров, а также методом высокотемпературного спекания. Полученные компакты механически обрабатывались для проведения дальнейших исследований и испытаний.

Структурно-фазовые исследования проводились методами рентгено-фазового анализа, спектроскопии комбинационного рассеяния света, электронной, оптической и зондовой микроскопии. Механические испытания проводили на универсальной испытательной машине (сжатие, изгиб), микротвердомере и нанотвердомере НаноСкан 3Д.

На основе проведенного обзора публикаций и анализа патентных данных, относящихся к способам создания беспористых керамических материалов с улучшенными физико-механическими свойствами, было выбрано направление исследований и пути решения поставленных задач. Для этого была проведена сравнительная оценка вариантов возможных решений, в том числе: существующих методов понижения пористости керамики; основ повышения трещиностойкости с сохранением высокой твердости; методов подавления  рекристаллизации в процессе спекания. В результате было показано, что наиболее перспективным способом является сочетание метода высокоэнергетической обработки, позволяющего осуществлять наноструктурирование исходных компонентов одновременно с их смешиванием, с методикой высоких давлений и температур. На основе проведенного анализа были разработаны научные и технологические принципы получения НКМ, в том числе на основе оксидной, карбидной и нитридной керамики путем высокоэнергетической механоактивационной обработки. Для полученных материалов проведены структурные исследования, экспериментально определены закономерности влияния добавления модифицирующих углеродных нанокластеров на средний размер частиц порошкового наноматериала.

По разработанной программе и методикам для экспериментальных образцов НКМ, проведены испытания и исследования по установлению закономерностей влияния добавок модифицирующих углеродных нанокластеров на физико-механические свойства НКМ на основе оксидной, карбидной и нитридной керамики. Проведены дополнительные патентные исследования.

В 2016 году проведены работы по оптимизации свойств, состава и параметров получения НКМ, а также экспериментальные исследования механических и функциональных свойств полученных образцов наноструктурных керамических материалов, модифицированных углеродными нанокластерами. В процессе выполнения работ запланированных на 2016 год оптимизированы составы и режимы получения НКМ, изготовлены образцы НКМ, проведены испытания экспериментальных образцов НКМ, разработан лабораторный регламент получения НКМ, а также проведены структурные исследования экспериментальных образцов НКМ на основе оксидной, карбидной и нитридной керамики полученных по разработанному лабораторному регламенту, а также проведено сопоставление результатов теоретических исследований и результатов экспериментальных исследований.

Разрабатываемая методика позволит получать керамический материал с улучшенными физико-механическими свойствами,
значительно превосходящими существующие аналоги по параметрам: трещиностойкость (в 2-2,5 раза), относительная
пористость (до 10 раз), теплопроводность (до 3 раз) позволит обеспечить качественный прорыв в современной космической и
атомной промышленности.