Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов создания, обработки и исследования радиационно-стойких композиционных керамических материалов для аэрокосмической техники

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0389
Организация
НИИЯФ МГУ
Руководитель работ
Панасюк Михаил Игоревич

Информация отсутствует

Соисполнители

Организация
МАИ

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Борисов Анатолий Михайлович

Этапы проекта

1
30.09.2009 - 15.12.2009
Проведен анализ состояния проблемы синтеза композиционных керамических поверхностных слоев при микродуговом воздействии в электролитах, разработаны методические основы и проведено опытное микродуговое оксидирования алюминиевой фольги на экспериментальном оборудовании МДО. Получен патент на полезную модель RU №88208 U1.
Сделан обзор теоретических и экспериментальных работ по радиационной стойкости композиционных материалов аэрокосмической техники. Определены перспективные направления применения композиционных керамических материалов в аэрокосмической технике. Разработан экспериментальный стенд, на котором получены сравнительные данные спектральных характеристик отражения керамических и лакокрасочных покрытий на металлах.
Разработана методика спектрометрии ядерного обратного рассеяния, с помощью которой получены данные по составу и структуре керамических поверхностных слоев на алюминиевом сплаве.
Разработан метод по созданию каталитических теплозащитных покрытий с помощью магнетронного осаждения. В экспериментах исследовали механизмы роста диоксида кремния на сплава ВЖ98. Установлен островковый механизм роста покрытия.
На базе созданного лабораторного комплекса по магнетронному осаждению разработан метод осаждения углеродных-углеродных композитов с инкопорированными нанокластерами карбидов титана, молибдена и вольфрама. В зависимости от режимов осаждения карбиды могут образовывать кластеры от 2 до 5 нм в аморфной гидрогенизированной углеродной матрице.
Экспериментально изучены условия образования открытой пористости на углеродных и композиционных материалах при высоких флюенсах ионного облучения. Исследованы баллистические и неравновесные диффузионные механизмы массопереноса в тонкослойных керамических структурах при ионной имплантации.
Развернуть
2
01.01.2010 - 30.06.2010
2.1. Создание композиционных углерод-керамических материалов методом плазменного воздействия в электролитах.
2.2. Исследование состава и топографии поверхности образцов с теплозащитными покрытиями до и после нанесения керамических покрытий различного сорта магнетронным методом.
2.3. Исследование физико-механических свойств композиционных углерод-керамических материалов в зависимости от размера нановключений.
2.4. Модифицирование структуры углерод-керамических композиционных материалов путём ионной имплантации.
2.6. Расчет значений поглоiценной дозы
космической радиации в композиционных
материалах за защитными экранами простой конфигурации.
2.5. Исследование радиационных условий в околоземном пространстве на трассах полета высотных самолетов и типовых орбитах космических аппаратов.
Развернуть
3
01.07.2010 - 15.12.2010
3.1 - Разработка методов резерфордовского и ядерного обратного рассеяния, спектрометрии атомов отдачи и заряженных частиц низкой и средней энергии, рентгеновского анализа с протонным возбуждением для задач исследования композиционных керамических материалов.
32. Исследование термостойкости и стойкости к плазмохимическим воздействиям
композиционных керамических поверхностных слоев.
3.3. Установление взаимосвязи морфологии и структуры композиционных керамических материалов с их функциональными свойствами,
3.4. Установление взаимосвязи между
параметрами плазменной обработки в электролитах и их функциональными свойствами.
3.5. Разработка методики лабораторного моделирования воздействия космической радиации на композиционные керамические материалы для аэрокосмической техники.
3.6. Лабораторные испытания новых образцов композиционных керамических материалов.
Развернуть
4
01.01.2011 - 31.03.2011
Проведены экспериментальные исследования взаимодействия ионов с энергиями порядка десятков кэВ с композиционными углерод-керамическими материалами, углерод-углеродными композитами и с пиролитическим графитом, используемым в качестве наполнителя композитов. Путем прямого компьютерного моделирования получена угловая зависимость коэффициента распыления графита, количественно описывающая экспериментальные данные в широкой области углов падения пучка ионов на поверхность углерод-керамического композита. Показано, что влияние поверхностного нанорельефа растет с увеличением массы бомбардирующих ионов. Установлены новые закономерности ионно-индуцированного гофрирования углеродных волокон при выскодозовом облучении углерод-углеродных композитов. Для высокоориентированного пиролитического графита найдено, что характер ионно-индуцированных процессов различается при нагреве и охлаждении. Мониторинг с помощью регистрации температурных зависимостей ионно-электронной эмиссии позволяет предположить, что причиной различий является отсутствие полной аморфизации при температуре фазового перехода.
В экспериментах по плазменной обработке в электролитах исследовано влияние на свойства керамических МДО-покрытий соотношения катодного и анодного токов. Найден экономичный режим обработки. Показано, что циклирование режимов позволяет выбирать вариант, обеспечивающий получение МДО-покрытий с комплексом свойств в соответствии с эксплуатационными требованиями. Для импульсного режима обработки найден режим для получения коррозионностойких керамических покрытий на сплаве АМГ. Проведенные исследования взаимозависимости состава, структуры и теплозащитных свойств показывают, что имеется большая мотивация разработок керамических слоев с уменьшенной теплопроводностью и рассмотрены пути решения этой задачи.
Развернуть
5
01.04.2011 - 20.09.2011
В соответствии с техническим заданием на 5 этапе выполнены следующие работы по бюджету:
1. На лабораторных стендах НИИЯФ МГУ экспериментально исследовано возникновение синергетических эффектов, возникающих при одновременном и последовательном воздействии на композиционные керамические материалы различных составляющих космической радиации в сочетании с другими факторами космического пространства. Найдено, что воздействие высокоскоростных микрочастиц на диэлектрики, подвергшиеся предварительному облучению электронами приводит к значительному увеличению области повреждения диэлектриков по сравнению с ударным воздействием микрочастиц на незаряженные диэлектрики. Более интенсивно происходит также эрозия под действием атомарного кислорода поверхности полимерных пленок, поврежденных ударами высокоскоростных частиц. Микрочастицы Al2O3, внедренные в поверхность при скоростях ~ 20 - 30 м/с защищают материал от воздействия атомарного кислорода и распыления.
2. По результатам анализа и обобщения экспериментальных результатов по разработке новых теплозащитных покрытий проведены эксперименты по синтезу и исследованию композиционных керамических покрытий на циркониевом сплаве при плазменном воздействии в электролитах с добавками нанопорошков оксида иттрия и оксида алюминия. Добавка в электролит нанопорошка оксида алюминия приводит к образованию пористой структуры покрытий и, тем самым, к значительному уменьшению теплопроводности. Добавка в электролит нанопорошка оксида иттрия позволяет стабилизировать высокотемпературную кубическую фазу оксида циркония и придает высокую жаростойкость покрытий.
3. Проанализированы механизмы формирования композиционных керамических слоев при плазменном воздействии в электролитах и воздействия на керамические слои факторов космического пространства. Предложенная модель переходного слоя объясняет «анкерный эффект» высокой прочности сцепления МДО-покрытий с металлической основой. Соданные керамические покрытия являются стойкими в отношении воздействия протонов на их отражающие свойства по сравнению с покрытием ЭКОМ. Их эрозия под действием атомарного кислорода является незначительной, по сравнению с эрозией многих углеродных и полимерных композиционных материалов, применяемых на внешней стороне космических аппаратов.
4. Экспериментально измерены потеря массы и коэффициент распыления углеродного керамического композита СГ-П-0.1 при высокодозном облучении ионами аргона энергии 30 кэВ. Проведенные компьютерные расчеты позволили уточнить коэффициенты распыления Si, C и SiC, что может быть использовано при анализе эрозионной способности композиционных керамических материалов, создаваемых на основе кремния и углерода. Получены экспериментальные оценки радиационной стойкости графита МПГ-8, которая составляет 40 и 60 СНА для молекулярных ионов азота и ионов инертных газов соответственно. Ионная имплантация квазикристалла графита при температурах 150 – 300о С характеризуется аномально глубоким измененным поверхностным слоем. Анализ закономерностей ионно-индуцированного гофрирования углеродных волокон углерод-углеродных композиционных материалов позволяет связывать это явление с режимом Бредли-Харпера нестабильности поверхности при ионном распылении.
6. Проведены патентные исследования в области воздействия на композиционные керамические материалы различных составляющих космической радиации в сочетании с другими факторами космического пространства. Патентами на изобретения и полезные модели защищают-ся, в основном, керамические материалы и покрытия, способы получения этих материалов и покрытий и устройства для их получения.
7. Проведенные патентные исследования в области плазменно-электролитического воздействия при формировании и исследовании керамикоподобных покрытий показывают высокую патентоспособность в этой области исследований и внедрений.
8. В рамках программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс МГУ имени М.В. Ломоносова созданы рабочие учебные программы «Электронная сканирующая и просвечивающая микроскопия» и «Физика магнитных наноструктур».
9. Разработанная программа внедрения результатов НИР в образовательный процесс ГОУВПО «МАТИ» - РГТУ имени К.Э.Циолковского направлена на развитие деятельности НОЦ «Технологии и исследования наноматериалов аэрокосмической техники», имеет созданное в процессе НИР учебно-методическое и информационное обеспечение.
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
Продолжительность работ
2010 - 2012, 30 мес.
Бюджетные средства
4,2 млн
Организация
МГТУ им. Н.Э.Баумана
профинансировано
Продолжительность работ
2015 - 2018, 34 мес.
Бюджетные средства
187,5 млн
Организация
ФГБНУ ТИСНУМ
профинансировано
Продолжительность работ
2005 - 2006, 14 мес.
Бюджетные средства
75 млн
Организация
ФГУП "ВИАМ"
профинансировано
Тема
Создание высокоэффективных бета-вольтаических элементов питания с длительным сроком службы на основе радиационно-стойких структур
Продолжительность работ
2015 - 2017, 28 мес.
Бюджетные средства
187,5 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка технологии и создание оборудования для производства керамических и композиционных покрытий
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
75 млн
Количество заявок
3
Тема
Создание сверхбыстродействующих радиационно-стойких компонентов супердетектора новых тяжелых частиц АТЛАС Большого адронного коллайдера ЦЕРН для экспериментальных исследований рождения и распада частиц
Продолжительность работ
2014 - 2016, 26 мес.
Бюджетные средства
190 млн
Количество заявок
1
Тема
Создание сверхвысокочувствительных радиационно-стойких компонентов мюонного супердетектора КМС Большого адронного коллайдера ЦЕРН для экспериментальных исследований высокоэнергетичных столкновений протонов
Продолжительность работ
2014 - 2016, 26 мес.
Бюджетные средства
220 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка инновационной технологии производства на основе многоуровневого компьютерного моделирования структуры и свойств термо-, огне- и/или радиационно-стойких композиционных материалов и покрытий, модифицированных наночастицами (фуллерены, углеродные нанотрубки, оксид кремния и/или оксиды металлов)
Продолжительность работ
2017 - 2018, 14 мес.
Бюджетные средства
46 млн
Количество заявок
0