Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Исследованы основные закономерности СПС сиалоновой керамики по двум разным схемам: простое спекание порошков α- и β-сиалонов и реакционное спекание порошковых смесей, основным компонентом которых был α-Si3N4. Все указанные порошки для спекания были получены по оригинальным методикам самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, основанным на фильтрационном горении в азоте. При простом спекании мелкодисперсных порошков высокоплотная сиалоновая керамика с однородной мелкозернистой структурой была получена уже при температуре изотермической выдержки Tmax = 1550°C. При использовании крупнодисперсных порошков спеченная керамика всегда имела достаточно высокий уровень пористости и подвергалась диссоциации при Tmax ≥ 1750°С и выше. Три характерных температурных интервала было выявлено при реакционном спекании. Достижение относительной плотности близкой к теоретической фиксировали при Tmax = 1600–1650ºC без изменения размера и морфологии зерен спекаемых смесей и трансформации исходного α-Si3N4 в α-/β-сиалоны. При дальнейшем повышении Tmax до 1700–1750°С начинали происходить фазовые превращения исходного α-Si3N4 в α- и β-сиалоны, но они не сопровождались существенными изменениями размера и морфологии зерен спекаемых смесей. С повышением Tmax до 1750–1800°C уже регистрировали заметный рост размера и изменение формы зерен спеченной керамики. Исследование прочностных и триботехнических характеристик (коэффициенты трения и износа) сиалоновой керамики, полученной при использовании мелкодисперсных исходных порошков по обоим схемам спекания, показало их хорошее соответствие наиболее высоким значениям, регистрируемым у данного класса материалов. Проведена модернизация плазменного реактора с ограниченным струйным течением для формирования частиц нанопорошка оксида алюминия в процессе окислительной газовой закалки паров алюминия и осуществлен синтез нанопорошка оксида алюминия. В результате экспериментов получены полидисперсные порошки оксида алюминия, состоящие из частиц сферической формы, с удельной поверхностью в диапазоне 15–45 м2/г, что соответствует изменению среднего размера частиц в интервале 30–100 нм. Методами рентгенофазового анализа установлено преобладание в получаемых порошках фазы δ-Al2O3 с присутствием фаз δ* и γ. Установлена зависимость среднего размера частиц порошка оксида алюминия от концентрации конденсируемого компонента в высокотемпературном газодисперсном потоке: увеличение концентрации оксида алюминия приводило к увеличению среднего размера частиц. Установлено, что увеличение расхода закалочного газа приводит к уменьшению среднего размера частиц порошка, собранного в реакторе. Результаты рентгено-фазового анализа показали, что полученные в результате окислительной закалки нанопорошки оксида алюминия состоят преимущественно из δ-Al2O3 с присутствием фазы γ-Al2O3. Установлено, что количество закалочного газа, подаваемого в систему, не оказывает значительного влияния на фазовый состав полученных порошков. На основе синтезированных нанопорошков оксида алюминия с добавками не окисленных чешуек графена приготовлены однородные смеси методом ультразвукового диспергирования в диметилформамиде с последующей сушкой и механическим перемешиванием. Проведено спарк-плазменное спекание образцов в форме дисков диаметром 15 мм и толщиной 2 мм из приготовленных порошковых смесей с содержанием графена от 0 до 2 % вес. Проведенными исследованиями установлено заметное влияние графена на свойства спеченного композита Al2O3 / G. Пористость спеченного композита уменьшилась более чем наполовину с увеличением содержания графена. Микроструктурный анализ показал, что средний размер матричных зерен композита, равный 1,5 мкм, почти на два порядка больше размера исходных частиц в порошке. Обнаружена слабая тенденция уменьшения размера зерен с увеличением содержания графена. Отдельные чешуйки графена располагаются внутри зерен, в тройных стыках и на границах, а также в виде агломератов. Отмечено, что разрушение образцов с графеном происходит не только по границам зёрен матрицы, как и в чистом корунде, но также и внутри зерна, образуя «полосы» отрыва, что уже наблюдалось в других работах. При этом, данное явление усиливается с увеличением содержания графена. Присутствие чешуек графена, обладающих повышенной контактной поверхностью, способствует уменьшению пористости и полному залечиванию пор, что повышает сцепление матричных зерен и, соответственно, микротвердость. Этому способствует и образование графеновых «мостиков». Исследование термического поведения образцов показало, что для образцов с 1% и 2% графена каких-либо превращений в исследованном температурном диапазоне не обнаружено, в отличие от образца без графена, в котором наблюдаются два фазовых перехода. Рамановская спектроскопия показала отсутствие деградации графена во время СПС в связи с наличием всех типичных пиков спектра. Введение графена до 2 вес.% в интервале температур 23 - 130°С и частоте около 1 МГц приводит к появлению электронного типа проводимости в нанокомпозите и, как следствие, к минимальному значению удельного электросопротивления ≤ 3*103 Ом*м. Вклад ионной проводимости увеличивается и полностью исключает роль графена с увеличением частоты и температуры в указанном выше диапазоне. Причиной наблюдаемых эффектов является изменение структуры спеченных композитов, связанное с влиянием введенного графена. Для определения температурного поля в образце и деталях пресс-оснастки проведено компьютерное моделирование электро-тепловых процессов, протекающих при спарк-плазменном спекании порошковых материалов в экспериментальной установке LABOX-625. Расчёт реального процесса выполнен для спекания порошка оксида алюминия со скоростью нагрева 85 °C/мин, выдержкой при температуре 1080°C в течение 10 минут и охлаждением со скоростью 30°C/мин. Полученные в результате моделирования результаты достаточно близки к экспериментальным. На основании результатов расчёта произведена оценка неравномерности распределения температуры в образце в процессе спекания. Неравномерность прогрева образца выражается в основном в перепаде температур «центр – периферия» и составляет примерно 20-40 °C. Компьютерное моделирование процесса СПС позволило выявить влияние электрических и теплофизических характеристик материалов пресс-оснастки (пуансонов, матрицы, утеплителя и др.) на результаты расчета распределения температуры в спекаемом образце и деталях пресс-оснастки в процессе спарк-плазменного спекания. Было исследовано влияние: 1) контактной теплопроводности между пуансонами и матрицей, 2) контактной электропроводности между пуансонами и матрицей, 3) контактной теплопроводности между пуансонами и проставками, 4) контактной электропроводности между пуансонами и проставками, 5) контактной теплопроводности между проставками, 6) контактной электропроводности между проставками, 7) излучательной способности графита, и некоторых других характеристик. Результаты компьютерного моделирования показали, что основное влияние на расчетные значения температурного поля при СПС оказывает величина излучательной способности материала пресс-оснастки (графита) и величина контактной электропроводности между пуансонами и матрицей. Другие контактные характеристики пресс-оснастки существенно меньше влияют на распределение температуры при СПС.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
По схеме простого спекания проведено исследование закономерностей СПС композиционной керамики в системах SiAlON–(h-BN, с-BN, TiN) с использованием в качестве основного сырья мелкодисперсных сиалоновыхпорошков. Для каждой рассматриваемой системы определены механизмы процесса консолидации и влияние на структуру и фазовый состав спеченной керамики характеристик используемых порошковых смесей и технологических параметров процесса спекания (соотношение компонент, дисперсность, максимальная температура выдержки и др.). Исследованы свойства у полученной композиционной керамики и установлены их корреляционные зависимости от структурных характеристик и фазового состава. Показана возможность получениявысокоплотной композиционной керамики в системах SiAlON–(h-BN, с-BN, TiN) с высоким уровнем ключевых функциональных характеристик (прочность, твердость, стойкость к термоудару и износу, электро- и теплопроводность и т.д.). Проведены экспериментальные исследования плазмохимического синтеза оксинитрида алюминия, получаемого в процессе химической газовой закалки паров алюминия при испарении дисперсного алюминия в струе термической плазмы, генерируемой электродуговым плазмотроном. выполнены расчеты равновесных составов и термодинамических характеристик многокомпонентных систем Al-O-N и Mg-Al-O-N в диапазоне температур 400 – 5000 К с использованием программного комплекса ТЕРРА для моделирования фазовых и химических равновесий в многокомпонентных системах. Получено, что равновесный выход целевых продуктов близкий к 100 % обеспечивается при температурах менее 2400 К (9Al2O3-5AlN) и менее 2600 К (MgAl2O4) для всего диапазона начальных составов. Выполнены экспериментальные исследования синтеза нанопорошков систем Mg-O-N, и Mg-Al-O-N при окислении порошков Al и Mg в потоке воздушной термической плазмы, генерируемой в электродуговом плазмотроне номинальной мощностью 25 кВт. В результате выполненных экспериментальных исследований термообработки полученных наноразмерных порошков шпинели MgAl2O4 в воздушной среде установлено, что при термообработке в течение одного часа при температурах 1000, 1100 и 1200°С удельная поверхность образца с начальным значением 17.2 м2/г снижается соответственно до 15.1, 14.5 и 12.0 м2/г, фазовый состав при этом не претерпевает изменений. По результатам проведенного рентгено-фазового анализа установлено, что полученные порошки во всех случаях состоят из оксинитрида алюминия, нитрида алюминия, небольшого количества оксида алюминия и следов металлического алюминия. Проведено исследование структурно-фазового состояния и физико-механических свойств (твердость, прочность, износостойкость, электропроводность и др.) образцов объемных композитов, полученных методом спарк-плазменного спекания нанопорошка оксида алюминия с добавками графена. Использованы нано-порошки δ-Al2O3 в двух модификациях – субмикронной (150 нм) и нанокристаллической (45 нм). Средний размер частиц сразу после их получения составлял 36 нм, площадь поверхности 35-40 м2/г. Графен получен методом ультразвуковой эксфолиации фирмой Graphene-tech (Испания) и представлял собой неокисленные чешуйки, толщина и латеральный размер которых равны 3 нм и 2-3 мкм соответственно. Пористость спеченного композита уменьшилась более чем наполовину с увеличением содержания графена. Добавление даже минимального содержания графена уменьшает пористость и тем самым способствует увеличению износостойкости. Микроструктурный анализ показал, что средний размер матричных зерен композита, равный 1,5 мкм, почти на два порядка больше размера исходных частиц в порошке. Было отмечено, что разрушение образцов с графеном происходит не только по границам зёрен матрицы, как и в чистом корунде, но также и внутри зерна, образуя «полосы» отрыва, что уже наблюдалось в других работах. При этом, данное явление усиливается с увеличением содержания графена. Присутствие чешуек графена, обладающих повышенной контактной поверхностью, способствует уменьшению пористости и полному залечиванию пор, что повышает сцепление матричных зерен и, соответственно, микротвердость. Повышение содержания графена в композите Al2O3 / графен способствует снижению коэффициента трения на 30 %, изнашивания на 19% и скорости износа на 3 порядка. Теоретическим анализом процессов электроимпульсной консолидации порошковых материалов установлен волновой характер процесса уплотнения. Выявлены различные режимы захлопывания межчастичных пор в процессе электроимпульсной консолидации и определены безразмерные параметры, характеризующие качественно различные (устойчивые и неустойчивые) режимы электроимпульсной консолидации порошковых материалов. Установлена область безразмерных параметров, при которых возникает кумулятивное схлопывание межчастичных пор, приводящее к неустойчивому режиму уплотнения при электроимпульсной консолидации порошковых материалов.