Механика объемных функциональных нанокерамик и керамических нанокомпозитов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-19-00255

НазваниеМеханика объемных функциональных нанокерамик и керамических нанокомпозитов

Руководитель Гуткин Михаил Юрьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиноведения Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-106 - Проблемы механики в проектировании новых материалов

Ключевые слова Механика, упругость, пластичность, прочность, твердость, деформация, разрушение, объемные функциональные нанокерамики, керамические нанокомпозиты, включения, графен, границы зерен, тройные стыки границ зерен

Код ГРНТИ30.19.57

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект нацелен на теоретическое и экспериментальное изучение механического поведения современных объемных функциональных нанокерамик и керамических нанокомпозитов. Эти материалы находят широкое применение в различных отраслях промышленности, таких как энергетика и энергетическое машиностроение. В то же время стремление разработчиков таких материалов добиться повышения их функциональных свойств – прочности, твердости и отклика на концентрацию кислорода в газовой фазе в широком интервале температур за счет все большего измельчения зерна монолитной нанокерамики или применения новых видов наполнителя в керамических нанокомпозитах зачастую приводит к снижению механических характеристик получаемых образцов. Например, к противоречивым результатам приводят попытки повысить твердость прозрачных нанокерамик на основе шпинелей MgAl2O4 путем уменьшения размера зерна. К падению прочности часто приводит добавление в качестве наполнителя углеродных нанотрубок или графена. С другой стороны, имеются и примеры удачного применения подобных наполнителей, когда резкое повышение функциональных свойств, например, электропроводности, сочетается с увеличением вязкости разрушения керамического нанокомпозита. Целенаправленный поиск способов улучшения функциональных свойств нанокерамк и керамических нанокомпозитов не в ущерб их механическим характеристикам требует разработки теоретических моделей, описывающих механизмы прочности и пластичности таких материалов, и экспериментальных исследований, нацеленных на проверку и уточнение этих моделей. Все сказанное определяет актуальность предлагаемого комплекса теоретических и экспериментальных исследований. Научная новизна проекта определяется выбором объектов и методов исследования, а также новизной ожидаемых результатов. В качестве объектов исследования предлагаются 1) недавно (в конце 2016 – начале 2017 г.г.) синтезированные монолитные прозрачные нанокерамики на основе шпинелей MgAl2O4 со сверхмелким зерном в диапазоне от 7 до 100 нм и 2) совершенно новые керамические нанокомпозиты на основе диоксида циркония, модифицированного иттрием для стабилизации кубического твердого раствора (YSZ), с наполнителем в виде слоев графена, которые предполагается синтезировать и начать детально изучать в рамках данного проекта. Первые отличаются уникальным сочетанием низкой плотности (около 3.6 г/см3), высокой прозрачности (>80 %) для света в диапазоне от ультрафиолетового (с длиной волны 300–400 нм) до инфракрасного (с длиной волны 3–8 мкм), высокими прочностью (>400 MPa при испытании на четырехточечный изгиб) и твердостью (>18 ГПа), что делает их чрезвычайно привлекательными для специальных применений в качестве сенсоров инфракрасного излучения и прозрачной брони. Матричная фаза вторых – YSZ-керамика – хорошо изучена и используется в качестве твердого электролита в сенсорах полноты сгорания топлива. В данной работе предполагается синтез объемных керамических нанокомпозитов «YSZ-керамика-графен» с использованием порошков-прекурсоров YSZ, полученных золь-гель синтезом со средним размером частиц 250 нм, и восстановленного оксида графена. В результате ожидается получение объемного материала, обладающего как ионной (кислородной) проводимостью, присущей YSZ-керамике, так и электронной, за счет образования кластеров графена в межзеренном пространстве. Такой материал может послужить основой для создания эффективного молекулярного кислородного насоса с возможным применением в энергетическом машиностроении, в двигателестроении, в технологиях тонкого химического синтеза и для создания нового медицинского оборудования. Впервые изучение механического поведения этих материалов будет проводиться комплексно, с единых позиций теории дефектов, объединяя разработку и анализ теоретических моделей и двухуровневое компьютерное моделирование, включающее в себя построение атомных моделей методом молекулярной динамики, структурных наномасштабных моделей методом дискретной дислокационной динамики и континуальных наномасштабных моделей упругого и упругопластичного поведения материала методом конечных элементов. Впервые проведение таких комплексных теоретических исследований будет тесно увязываться с режимами получения образцов изучаемых материалов и с результатами их структурных исследований и механических испытаний. В случае монолитных нанокерамик на основе шпинелей MgAl2O4 эта информация будет получена из имеющихся литературных источников (статьи 2017 г.) и непосредственно от их авторов. В случае синтезированных самостоятельно нанокомпозитов «YSZ-керамика-графен» – из результатов собственных экспериментальных исследований методами дифференциальной сканирующей калориметрии, рентгенофазового анализа, электронной микроскопии и рамановской спектроскопии. Эти нанокомпозиты будут также исследованы методом спектроскопии импеданса и, на основе полученных годографов импеданса, будет построена модель соотношения зеренной и межзеренной проводимости. Механические свойства образцов будут определяться в ходе испытаний на микротвердость и на одноосное сжатие. Ожидается, что такая постановка работы даст большой объем новой научной информации, интересной и важной как с точки зрения получения фундаментальных знаний о структуре, свойствах и механическом поведении указанных новых перспективных функциональных керамических материалов, так и с точки зрения практического применения этих знаний в важных отраслях наноиндустрии и нанотехнологии. Проект будет выполняться в Институте проблем машиноведения Российской академии наук под руководством доктора физ.-мат. наук М. Ю. Гуткина, занимающего одно из лидирующих мест в мировой науке в области микромеханики дефектов и теоретического описания деформационного поведения наноразмерных и наноструктурных материалов (общее число цитирований в базе данных Scopus – 2549, индекс Хирша – 27, число статей, опубликованных в 2013-2017 гг. в журналах, индексируемых в базе данных Scopus – 37). В число основных исполнителей проекта будут входить получившие мировое признание доктора физ.-мат. наук С. В. Бобылев, А. Л. Колесникова и А. Г. Шейнерман – эксперты в области теоретического описания механического поведения различных наноматериалов и твердотельных наноструктур, и доктор хим. наук В. Г. Конаков – эксперт мирового уровня в области получения, экспериментального исследования, производства и применения различных стекол, керамик и керамических нанокомпозитов. Молодое поколение участников проекта (все моложе 39 лет) представлено кандидатом физ.-мат. наук И. Н. Бородиным, только что окончившим аспирантуру Университета ИТМО (защита состоится 14.12.2017 г.) ассистентом А. М. Смирновым, аспирантами Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого С. А. Красницким и Е. А. Ржавцевым, и аспирантом Университета ИТМО М. А. Рожковым. Ожидается, что такой состав научной группы окажется достаточно эффективным для достижения целей проекта, и что участие в его выполнении молодых ученых будет способствовать их быстрому научному росту.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бобылев С.В., Шейнерман А.Г. Effect of crack bridging on the toughening of ceramic/graphene composites Reviews on Advanced Materials Science, Volume 57, Issue 1/2, Pages 54-62 (год публикации - 2018)

2. Курапова О.Ю.,Глумов О.В., Ломакин И.В., Голубев С.Н.,Пивоваров М.М., Криволапова Ю.В., Конаков В.Г. Microstructure, conductivity and mechanical properties of calcia stabilized zirconia ceramics obtained from nanosized precursor and reduced graphene oxide doped precursor powders Ceramics International, Volume 44, Issue 13, Pages 15464-15471 (год публикации - 2018)
10.1016/j.ceramint.2018.05.202

3. Вакаева А.Б., Красницкий С.А., Смирнов А.М., Греков М.А., Гуткин М.Ю. Stress concentration and distribution at triple junction pores of three-fold symmetry in ceramics Reviews on Advanced Materials Science, Volume 57, Issue 1/2, Pages 63-71 (год публикации - 2018)

4. Глухарев А.Г., Конаков В.Г. Synthesis and properties of zirconia-graphene composite ceramics: a brief review Reviews on Advanced Materials Science, Volume 56, Issue 1, Pages 124-138 (год публикации - 2018)

5. Шейнерман А.Г., Гуткин М.Ю. Strengthening and Softening of Nanoceramics: a Brief Review Reviews on Advanced Materials and Technologies, Volume 1, Pages 46-53 (год публикации - 2019)

6. Курапова О.Ю., Глухарев А.Г., Глумов О.В., Курапов М.Ю., Болтынюк Е.В., Конаков В.Г. Structure and electrical properties of YSZ-rGO composites and YSZ ceramics, obtained from composite powder Electrochimica Acta, Volume 320, Art. no.134573 (год публикации - 2019)
10.1016/j.electacta.2019.134573

7. Шейнерман А.Г., Морозов Н.Ф., Гуткин М.Ю Effect of grain boundary sliding on fracture toughness of ceramic/graphene composites Mechanics of Materials, Volume 137, October 2019, Номер статьи 103126 (год публикации - 2019)
10.1016/j.mechmat.2019.103126

8. Шейнерман А.Г.,Кастро Р.Х.Р., Гуткин М.Ю. A model for direct and inverse Hall-Petch relation for nanocrystalline ceramics Materials Letters, Volume 260, 1 February 2020, Номер статьи 126886 (год публикации - 2020)
10.1016/j.matlet.2019.126886

9. Бородин Е.Н., Майер А.Е., Гуткин М.Ю. Coupled model for grain rotation, dislocation plasticity and grain boundary sliding in fine-grained solids International Journal of Plasticity, Volume 134, November 2020, номер статьи 102776 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ijplas.2020.102776

10. Вакаева А.Б.,Красницкий С.А., Греков М.А., Гуткин М.Ю. Stress fields at triple junction inhomogeneities of three-fold symmetry in ceramic composites Journal of Materials Science, Volume 55, Pages 9311-9321 (год публикации - 2020)
10.1007/s10853-020-04675-7

11. Шейнерман А.Г., Гуткин М.Ю. The role of grain boundaries and their triple junctions in strengthening and softening of nanocrystalline ceramics Letters on Materials, Volume 10, Issue 4s, Pages 547-550 (год публикации - 2020)
10.22226/2410-3535-2020-4-547-550

12. Глухарев А., Глумов О., Темникова М., Саффаршамширгар А., Курапова О., Хуссаинова И., Конаков В. YSZ-rGO composite ceramics by spark plasma sintering: the relation between thermal evolution of conductivity, microstructure and phase stability Electrochimica Acta (год публикации - 2020)
10.1016/j.electacta.2020.137533

13. Бобылев С.В. Simulation of inverse Hall-Petch relation in nanocrystalline ceramics by discrete dislocation dynamics method Materials Physics and Mechanics (год публикации - 2020)

Публикации