Регистрация / Вход
Прислать материал

«Наноразмерная керамика на основе оксидов
алюминия и циркония: выбор составов и разработка технологии для
радиационной стойкости»

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0116
Организация
ИЭФ УрО РАН
Руководитель работ
Иванов Виктор Владимирович
Продолжительность работ
2009 - 2011, 28 мес.
Бюджетные средства
13,9 млн
Внебюджетные средства
2,78 млн

Информация отсутствует

Этапы проекта

1
15.06.2009 - 30.11.2009
АННОТАЦИЯ РАБОТ,
ВЫПОЛНЕННЫХ НА ЭТАПЕ № 1
«Получение нанопорошков и влияние радиационного облучения на свойства нанопорошков»
государственного контракта с Федеральным агентством по науке
и инновациям от 15 июня 2009 г. № 02.740.11.0116

Шифр: «2009-1.1-207-024-126»
Период выполнения этапа 15 июня 2009 - 30 ноября 2009
Исполнитель: Институт Электрофизики Уральского Отделения Российской академии наук
620016 г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 106
Цель работы Разработка составов и научных основ технологий изготовления наноразмерной композитной керамики на основе оксидов алюминия и циркония с высокими механическими свойствами, изготовление экспериментальных образцов и изучение поведения этой керамики при радиационном воздействии.

1. Наименование разрабатываемой продукции
В соответствии с ТЗ в течение 1 этапа контракта должна быть разработана следующая научно-техническая продукция.
- Отчет по патентным исследованиям;
- Лабораторный технологический регламент (ЛТР) получения нанопорошков Al2O3 и ZrO2 методом электрического взрыва проволоки (ЭВП);
- ЛТР получения нанопорошков YSZ (ZrO2, стабилизированный Y2O3) методом лазерного испарения;
- Отчет о 1 этапе НИР, содержащий обоснование развиваемого направления исследований, изложение методик проведения исследований, а также описание полученных результатов.
2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
2.1. В соответствии с ТЗ и КП получена следующая научно-техническая продукция:
- Отчет по патентным исследованиям;
- ЛТР получения нанопорошков Al2O3 и ZrO2 методом ЭВП;
- ЛТР получения нанопорошков YSZ методом лазерного испарения;
- Отчет о 1 этапе НИР, содержащий обоснование развиваемого направления исследований, изложение методик проведения исследований, а также описание полученных результатов.
Проведен обзор литературных и патентных работ по созданию нанокерамик на основе оксидов алюминия и циркония и влиянию на свойства керамических материалов, прежде всего механические, различных видов радиационного облучения. Дано описание двух разработанных и применяемых нами способов получения наноразмерных порошков и методов их аттестации. Оба способа: электрический взрыв проволоки и лазерное испарение мишени обеспечивают средний размер частиц в диапазоне 10-80 нм и их слабую агрегацию, что является необходимым условием для осуществления механического смешивания нанопорошков на уровне частиц, а не агломератов. Приведены лабораторные технологические регламенты получения нанопорошков.
Наработаны, аттестованы и подвергнуты радиационному облучению нанопорошки оксидов алюминия и циркония. Средний размер частиц, имеющих преимущественно сферическую форму, составлял 15-20 нм для ZrO2 и YSZ, 30 и 50 нм для двух партий Al2O3. Применено радиационное облучение двух типов: электронный пучок с энергией 10 МэВ и флюенсом 1016 см-2 и гамма-поле со средней энергией квантов 0,8 МэВ при двух дозах облучения 5 и 10 МГр. После облучения в нанопорошках оксида алюминия наблюдалось незначительное, в пределах 5-10 %, увеличение удельной поверхности порошков и изменение соотношения между исходными метастабильными фазами, при этом области когерентного рассеяния, 16-20 нм, нанопорошков не изменились. В нанопорошках диоксида циркония макроизменений не обнаружено, хотя после облучения в нанопорошке 2,5YSZ зафиксированы значительные микроискажения решетки.
Методом нейтронно-активационного анализа определен элементный состав образцов полученных нанопорошков и оценено изменение активностей радионуклидов в нанопорошках. Время «охлаждения» после нейтронного воздействия с флюенсом 1,2 1017 см-2 для нано- Al2O3 составляет 140 суток, для ZrO2 – около 2-х лет.
Сконструирован и изготовлен комплект прессформ для магнитно-импульсного прессования нанопорошков. Дано описание разработанной конструкции стенда для измерения предела прочности на изгиб керамических образцов, собран и подготовлен к испытаниям макет стенда.
Изготовлены образцы-свидетели композиционной керамики со структурой микронного размера и исследованы их свойства. Дано описание разработанной конструкции стенда для исследования керамик на износ трением.
2.2. Применяемые подходы для получения наноразмерной керамики:
- Исходный материал для композитной керамики – это смесь слабо агрегированных нанопорошков. Слабая агрегация частиц в порошке позволяет получить при смешивании композиционный порошок с однородностью перемешивания на уровне частиц, а не агломератов.
- Использование метода магнитно-импульсного прессования, сочетающего адиабатический нагрев уплотняемой среды и возможность реализации безударно-волнового режима сжатия. Преимущества данного метода в отношении нанопорошков в сравнении с другими способами прессования продемонстрировано нами ранее.
- Воздействие радиационным облучением на создаваемую керамику и на нанопорошки. При воздействии радиации возможна активизация процессов самоорганизации наночастиц и изменение параметров их прессования и спекания. Можно ожидать улучшения макросвойств керамики, полученной из облученных порошков. Изучение влияния облучения на эксплутационные параметры керамики – в двух диапазонах: малых и больших доз. Первый диапазон позволит оценить значимость эффектов малых доз при их использовании в технологии изготовления нанокерамик. Воздействие высоких доз даст возможность определить скорость и пределы деградации эксплуатационных свойств керамик при работе в радиационных полях высокой интенсивности.
2.3. Применяются стандартные методы и методики исследований. В частности, критерием выбора состава и технологических режимов будут механические свойства получаемой керамики.
2.4. Заявка на патент № 2009129314/20(040810) от 29 июля 2009 г. «Плоский индуктор для магнитно-импульсного прессования изделий из наноразмерных порошков».
3. Области и масштабы использования полученных результатов
3.1. Области применения разрабатываемой конструкционной композитной нанокерамики:
- детали машин, агрегатов, к которым предъявляются высокая твердость, прочность, износостойкость, трещиностойкость, например, фильеры, струе формирующие сопла для гидроабразивной резки, чистки и т.д., подшипники скольжения, подпятники высокоскоростных центрифуг и др.;
- режущий и металлообрабатывающий инструмент;
- элементы бронезащиты, в том числе индивидуальной;
- радиационно-стойкий материал для предприятий атомной промышленности, АЭС, при захоронении радиоактивных отходов, при использовании радиационных технологий в различных производствах, для применений в космосе.
На базе разрабатываемых лабораторных технологических регламентов могут быть разработаны технические регламенты технологий опытных и промышленных производств изделий из наноразмерных композитных керамик с высокими механическими свойствами для конструкционного применения, как в условиях радиационного воздействия, так и при его отсутствии.
Результаты НИР будут внедрены в образовательный процесс, в том числе, в течение выполнения контракта будет организована лабораторная работа для студентов на базе стенда для измерения предела прочности на изгиб керамических образцов.
3.2. На данном этапе практического внедрения полученных результатов нет (ТЗ и КП на 1 этапе не предусмотрено).
3.3. Заданные в ТЗ индикаторы и показатели достигнуты.
4. Выводы
НИР по первому этапу выполнены в полном объеме в соответствии с ТЗ и КП.
Руководитель работ
Зав. лаб. ИЭФ УрО РАН _________________ В.В. Иванов
___ __________ 2009 г.
Развернуть
2
01.01.2010 - 30.06.2010
2.1. Изготовление стенда для
измерения предела прочности
на изгиб керамических
образцов и разработка
методики измерения предела
прочности на изгиб для
нанокерамик.
2.2. Проведение экспериментов
по получению и исследованию
свойств нанокерамик из
необлученных нанопорошков
А12О3 +2Ю2 (до 15 масс. % -4 состава) и А12О3 + У82 (5-95 масс. % -4 состава): - получение однородных
смесей нанопорошков с
варьируемым составом;
- получение образцов
прессовок методом магнитно-
импульсного прессования
смесей нанопорошков для
исследований режимов
спекания и механических
свойств;
- сравнительное исследование
режимов спекания керамик,
приводящих к минимальному
среднему размеру кристаллитов
и минимальной пористости;
- исследование фазового
состава и размера ОКР
синтезируемых керамик;
- микроскопические
исследования морфологии и
структуры синтезируемых
керамик: однородности
распределения фаз, пористости,
размера кристаллитов, размера
пор;
- исследование комплекса
механических свойств
синтезируемых керамик:
модуля упругости,
микротвердости,
трещиностойкости и прочности
на изгиб.
2.3. Анализ результатов и
определение влияния состава
на структуру и механические
свойства композиционных
нанокерамик АЬОз + 2гОз и
А12О3 + У82. Выбор оптимальных составов.
Оформление отчетной научно-
технической документации.
2.4. Разработка методики
сравнительных измерений
износостойкости керамических
материалов.
2.5. Изготовление стенда для
исследования керамики на
износ трением.
Развернуть
3
01.07.2010 - 30.11.2010
3.1. Доработка конструкции стенда для измерения предела прочности на изгиб керамических образцов. Изготовление четырех доработанных стендов и оформление методического пособия по лабораторной работе для студентов на базе демонстрационного стенда для измерения предела прочности на изгиб керамических образцов.
3.2. Проведение экспериментов по получению и исследованию свойств нанокерамик из облученных нанопорошков Al2O3 + ZrO2 (до 15 масс. % - 4 состава) и Al2O3 + YSZ (5-95 масс. % - 4 состава):
- получение однородных смесей и изготовление прессовок из облученных нанопорошков для синтеза композитных нанокерамик;
- исследование кинетики спекания образцов прессовок и изготовление образцов нанокерамик;
- исследование фазового состава и размера ОКР синтезируемых керамик;
- микроскопические исследования морфологии и структуры синтезируемых керамик: однородности распределения фаз, пористости, размера кристаллитов, размера пор;
- исследование комплекса механических свойств синтезируемых керамик: модуля упругости, микротвердости, трещиностойкости и прочности на изгиб.
3.3. Анализ результатов и определение влияния облучения нанопорошков на структуру и механические свойства синтезируемых из них композиционных нанокерамик. Оформление отчетной научно-технической документации.
Развернуть
4
01.01.2011 - 30.06.2011
4.1. Проведение экспериментов
по исследованию влияния
радиационного облучения на
свойства нанокерамики:
- получение образцов
композитной нанокерамики
выбранных составов из
нанопорошков;
- облучение образцов керамики
малыми дозами с целью
улучшения свойств;
- исследование фазового
состава, размера ОКР,
морфологии, структуры, механических свойств (модуля упругости, микротвердости, трещиностойкости и прочности
на изгиб) модифицированных нанокерамик; - облучение образцов керамики
большими дозами для
исследований радиационной
стойкости;
4.2. Анализ результатов и
определение влияния дозы
облучения нанокерамик на
структуру и механические
свойства композиционных
нанокерамик в зависимости от
составов (в пределах выбранных). Оформление отчетной научно-технической
документации.
4.3. Проведение экспериментов
по исследованию влияния
радиационного облучения
малыми дозами на
композиционную керамику с
микронньм размером зерна.
4.4. Подготовка и проведение
испытаний образцов
нанокерамики,
модифицированной
радиационным излучением, на
износ трением.
Развернуть
5
01.07.2011 - 15.10.2011
5.1. Проведение
экспериментов:
- исследование фазового
состава, размера ОКР, морфологии, структуры, механических свойств (модуля упругости, микротвердости, трещиностойкости и прочности
на изгиб) образцов нанокерамики, облученных
большими дозами, с целью определения радиационной
стойкости.
5.2. Комплексный анализ
полученных результатов НИР.
Разработка программы
внедрения результатов НИР в
образовательный процесс.
Технико-экономическая оценка
внедрения результатов НИР.
Оформление отчетной научно-
технической документации.
5.3. Проведение экспериментов
по исследованию влияния
радиационного облучения
большими дозами на
композиционную керамику с
микронным размером зерна.
5.4. Подготовка и проведение
испытаний образцов
нанокерамики, облученных
большими дозами, на износ
трением.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Функциональные керамические и композиционные материалы 1. Разработка технологических основ формирования износостойких покрытий с наночастицами алмаза. 2. Исследование морфологических характеристик и химического состава поверхности керамических кальций-фосфатных покрытий на титане ВТ 1-0 медицинского назначения. 3. Исследование структуры нитридов циркония. 4. Исследование свойств и принципов структурирования мезопористых материалов на основе оксида алюминия. 5. Исследование структуры и свойств порошков и тонких пленок на основе диоксида титана. 6. Механическая и лучевая прочность лазерных наноструктурированных керамик на основе CaF2. 7. Получение и исследование физико-химических свойств тонких нанокристаллических пленок TiO2 на проводящих подложках. 8. Ионная подвижность в фосфатах со структурой NASICON и твердых полимерных электролитах. 9. Структура нанокристаллических порошков оксидов металлов и керамики на их основе для атомной энергетики. 10. Синтез гетероструктур на основе пленок ниобата лити
Продолжительность работ
2011, 5 мес.
Бюджетные средства
1,8 млн
Организация
ФГБОУ ВО "ВГУ"
профинансировано
Тема
Разработка ресурсосберегающих технологий получения функциональной керамики и керамополимерных композитов на основе наноразмерных порошков сложных оксидов.
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
8 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка технологии нанополировки подложек оксида алюминия и карбида кремния для изготовления мощных электронных и оптоэлектронных приборов на нитридах алюминия и галлия.
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
25 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка технологии получения α-оксида алюминия высокой чистоты на основе гидротермального окисления алюминия
Продолжительность работ
2014 - 2016, 26 мес.
Бюджетные средства
60 млн
Количество заявок
3
Тема
Разработка технологии получения пористой керамики с регулируемой величиной пор от микро до наноразмерных
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
10 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка методов синтеза неорганических активных солей и оксидов – перспективных материалов для современных производств химических источников тока, катализаторов и керамики.
Продолжительность работ
2009 - 2010, 14 мес.
Бюджетные средства
20 млн
Количество заявок
3