Создание физических основ технологии получения композиционной нанокерамики на основе диоксида циркония с прогнозируемыми прочностными и функциональными свойствами, включая градиентную керамику, с применением методов радиационных воздействий.

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 17-19-01082

НазваниеСоздание физических основ технологии получения композиционной нанокерамики на основе диоксида циркония с прогнозируемыми прочностными и функциональными свойствами, включая градиентную керамику, с применением методов радиационных воздействий.

Руководитель Гынгазов Сергей Анатольевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова Диоксид циркония, нанокерамика, градиентные структуры, гамма излучение, электронные и ионные пучки, радиационное воздействие, спекание, модификация

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение комплексной задачи получения керамик с заданными свойствами, фундаментальной составляющей которой является разработка физических основ технологии получения композиционной нанокерамики на основе диоксида циркония с прогнозируемыми прочностными и функциональными свойствами, включая градиентную керамику. Прикладной поисковой составляющей проекта является разработка и практическая реализация технологических схем для реализации указанной технологии. Актуальность проблемы обусловлена необходимостью разработки технологии получения нанокерамики и модификации поверхностных слоев керамических материалов с целью придания им новых уникальных свойств, в том числе наноструктурированного состояния. В качестве объекта будет исследоваться композиционная керамика на основе стабилизированного диоксида циркония. Получение нанокерамики или керамики с модифицированными поверхностными слоями с наноструктурой позволит существенно расширить области применения данных материалов и повысить качество изделий, традиционно изготавливаемых из данного типа керамики. Суть разрабатываемой технологии, определяющей научную новизну и практическую значимость проекта, заключается в формировании наноструктурированных состояний за счет: увеличения плотности компактов с использованием ионного легирования УДП и нетрадиционных методов обработки исходных порошковых масс, в том числе: излучением гамма источника; компактирования методом магнитно-импульсного прессования; активационного спекания при пониженных температурах и меньших временных интервалах при радиационно-термическом нагреве в пучке ускоренных электронов; поверхностного модифицирования при кратковременном нагреве до температур равных температуре плавления и выше пучками электронов или ионов. Будут рассмотрены также процессы поверхностного модифицирования керамических материалов малоинтенсивными ионными пучками с целью управления проводимостью приповерхностных слоев для создания «слабопроводящей» керамики для изоляционных элементов ускорительной техники. Совокупность используемых технологических приемов изготовления и обработки керамики позволит получать керамику с прогнозируемыми прочностными и функциональными свойствами. В ходе реализации проекта будут выявлены закономерности: уплотнения порошковых масс, подвергнутых гамма облучению, в зависимости от условий механической обработки и способа компактирования; консолидации порошков в компактах в зависимости от условий предварительной механической и радиационной обработок порошковых масс, скорости и способа нагрева; формирования градиентных слоев и их функциональных свойств в зависимости от вида радиационной (электронная или ионная) обработки и ее интенсивности. Будут выявлены закономерности эволюции элементного и фазового состава, микроструктуры, физических (модуль Юнга), механических (микро- и нанотвердость) и трибологических (износостойкость, коэффициент трения), электрофизических (электропроводность) свойств стабилизированного диоксида циркония в зависимости от условий радиационной обработки. Разрабатываемые технологии позволят изготавливать композиционную керамику на основе диоксида циркония с эксплуатационными и функциональными свойствами в полном соответствии требованиям, предъявляемым в зависимости от ее назначения. В частности это может быть биокерамика с высокой пористостью внутри объема и с малой пористостью в приповерхностных слоях, или, например, керамика с рекордными показателями прочности, обусловленных созданием нанокерамики с размером зерен не более 50 нм и плотностью близкой к теоретической. Отличительной особенностью изготавливаемых по разрабатываемой технологии изделий будет отсутствие посторонних примесей, как правило, вводимых при реализации других технологий во время изготовления керамики. Это позволит улучить функциональные свойства и расширить области применения керамики на основе диоксида циркония. Прогнозируемые параметры керамики, изготовленной из УДП стабилизированного диоксида циркония, полученного по золь-гель-технологии: пористость - не более 0.5-1 %: микротвердость - не менее 12-13 ГПа; критический коэффициент интенсивности напряжения - (10-11) МПа М0.5. При получении "слабопроводящей" керамики удельная проводимость от начального значения (10-17 - 10-16) Ом-1 будет возрастать до величины (10-5 - 10-3) Ом-1, т.е. на 5-10 и более порядков. Таким образом, в результате выполнения проекта предполагается разработать физические основы новой комплексной технологии изготовления и модифицирования композиционной керамики на основе диоксида циркония с прогнозируемыми прочностными и функциональными свойствами. Ожидаемые при реализации проекта научные результаты носят приоритетный характер, а создаваемые на их основе технологические процессы по совокупности основных параметров получаемой керамики не будут иметь мировых аналогов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Т.С. Франгульян, С.А. Гынгазов Impact of pressure in static and dynamic pressing of ultrafine plasmochemical ZrO2 (Y)-Al2O3 powders on compact density and compaction efficiency during sintering Ceramics International (год публикации - 2018)
10.1016/j.ceramint.2018.07.285

2. C.А. Гынгазов, С.А. Шевелев Effect of additives on sintering of zirconia ceramics Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, (2018) 134:45–49 (год публикации - 2018)
10.1007/s10973-018-7249-0

3. С. Гынгазов, В. Костенко, С. Шевелев, А. Купчишин, А. Кондратюк Modification of Strength Properties of Oxide Materials by Ion Irradiation Key Engineering Materials, Vol. 781, pp 70-75 (год публикации - 2018)
10.4028/www.scientific.net/KEM.781.70

4. В. Костенко, С. Павлов, С. Николаева Influence of a high-power pulsed ion beam on the mechanical properties of corundum ceramics IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 289 (2017) 012019 (год публикации - 2018)
10.1088/1757-899X/289/1/012019

5. Гынгазов С.А.,Рябчиков А.И.,Костенко В., Сивин Д.О. Aluminum ion beam treatment of zirconium ceramics Russian Physics Journal, Vol. 61, No. 8, December, 2018 (Russian Original No. 8, August, 2018) (год публикации - 2018)
10.1007/s11182-018-1564-6

6. Гынгазов С.А., Костенко В., Овчинников В.В., Гущина Н.В., Махинько Ф.Ф. Surface Modification of Corundum Ceramics by Argon Ion Beam Inorganic Materials: Applied Research, Vol. 10, No. 2, pp. 438–444. (год публикации - 2019)
10.1134/S2075113319020199

7. Клишин А.П., Руднев С.В., Гынгазов С.А., Верещагин В.И., Бородин Ю.В. FORMATION OF STRUCTURAL-PHASE STATES IN ALUMINA Russian Physics Journal, Vol. 62, No. 2, June, 2019 (год публикации - 2019)
10.1007/s11182-019-01722-y

8. Костенко В., Васильев И., Шевелев С., Гынгазов С. Two-Step Sintering of Zirconia Ceramics by Intense High-Energy Materials Science Forum, Volume 970, 2019, Pages 1-6 (год публикации - 2019)
10.4028/www.scientific.net/MSF.970.1

9. Бородин Ю.В., Гынгазов С.А., Клишин А.П. STRUCTURAL ORGANIZATION OF NANOCOMPOSITE Russian Physics Journal, Vol. 61, No. 10 (год публикации - 2019)
10.1007/s11182-019-01614-1

10. Гынгазов С.А., Полтавцева В.П., Ларионов А., Сатпаев Д. Features of changes in the structure and properties of titanium nickelide irradiated with MeV xenon ions Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms (год публикации - 2020)

11. С.А. Гынгазов, Xiaopeng Zhu, А.И. Пушкарев, Ю.И. Егорова, С.В. Матренин, В.А. Костенко, C.C. Zhang, Mingkai Lei Surface modification of ZrO2-3Y2O3 ceramics with high-intensity pulsed N2+ ion beams Russian Physics Journal (год публикации - 2020)

12. Гынгазов СА Influence of mechanical treatment on consolidation processes of ultra-disperse powders of stabilized zirconium oxide Inorganic Materials: Applied Research, volume 9 issue 2 (год публикации - 2018)

13. Шевелев СА, Гынгазов СА. Влияние давления прессования компактов из ультрадисперсного порошка диоксида циркония, допированного оксидом висмута, на эффективность уплотнения при термическом спекании и механические свойства спеченной керамики Russian Physics Journal (год публикации - 2017)

14. Гынгазов СА, Чернявский АВ, Петрова АБ Coefficients of Aluminum Diffusion into Zirconium Dioxide Determined by the Method of Secondary-Ion Mass Spectrometry Russian Physics Journal, 60(5), с. 812-816 (год публикации - 2017)
10.1007/s11182-017-1143-2

15. Гынгазов СА, Франгульян ТS Impact of pressure in static and dynamic pressing of zirconia ultradisperse powders on compact density and compaction efficiency during sintering Ceramics International, 43(18), с. 16555-16559 (год публикации - 2017)
10.1016/j.ceramint.2017.09.042

Публикации