Аннотация результатов, полученных в 2022 году
При синтезе пористого материала особое внимание уделяется возможности создания материалов с заданной структурой. Контроль пористости по таким параметрам как объемная доля, размер и геометрия пористого пространства имеет важное значение для придания конкретных свойств конечному материала. Синтезировали пористый материал из порошка карбида титана с применением временного порообразователя. Такой метод позволяет контролировать пористую структуру материала за счет подбора размера частиц порошка карбида титана, порообразователя, условий формования и спекания. В качестве основы пористого материала использовали порошок карбида титана со средним размером частиц 500 нм, полученный гидридно-кальциевым методом. Также в работе использовали коммерческий нанопорошок карбида титана со средним размером частиц 50 нм (Luoyang Advanced Material Co.,Ltd). Формирование пористой структуры в материале проводилось посредством добавления к порошку карбида титана порообразователя, который полностью удалялся на начальной стадии термообработки. В качестве порообразователя использовали порошок гидрокарбоната аммония (ГКА) NH4HCO3 с размером частиц 50-125 мкм. Способ получения пористого карбида титана с применением ГКА заключался в следующем. Готовили порошковые смеси для прессования образцов смешением порошка карбида титана с порошком ГКА в смесителе С2.0 Турбула. Объемное содержание последнего составляло 75, 80 и 85 %. Такое содержание порообразователя обеспечивает формирование проницаемой пористой структуры в материале, обладающей достаточной прочностью. Образцы для исследования пористой структуры и проницаемости получали методом спекания спрессованных при 300 МПа заготовок. Далее проводили двухстадийную термообработку прессовок, при которой на первой стадии из материала удалялся порообразователь, а на второй стадии в результате спекания формировался материал с различными прочностью и удельной поверхностью. Для удаления порообразователя ГКА прессовки нагревали в потоке аргона до температуры 100 °C со скоростью, не превышающей 1 град/мин. Далее выдерживали при этой температуре в течение 10 минут. Окончательное спекание выполнялось в вакууме не ниже 10-2 Па при температурах 1200, 1300, 1400 и 1500 °C. Скорость нагрева составляла 10 °C/мин, выдержка при максимальной температуре - 150 мин. Формирование градиентной пористой структуры в материале проводили методом нанесения на спеченный пористый образец из субмикронного порошка карбида титана суспензии, представляющей собой водный раствор ПВС, содержащий 20 масс.% нанопорошка карбида титана. На одной из торцевых поверхностей образца формировали слой методом капельного истечения суспензии. Формируемое при этом покрытие на образце имело пористую структуру, отличную от основного материала. После того, как нанесенные слои такой суспензии высыхали, проводили спекание образцов по режимам, аналогичным тем, что указаны выше, но с выдержкой 60 мин при максимальной температуре 1200 °C. Исследованы функциональные характеристики созданного материала: пористость, распределение пор по размерам, удельная поверхность, проницаемость и механическая прочность. Установлены закономерности формирования пористой структуры материала в зависимости от объемной доли порообразователя и температуры спекания и определено влияния этих параметров на пористость, проницаемость и механическую прочность синтезированных высокопористых образцов материала. Получены зависимости пористости синтезированных материалов в зависимости от температуры спекания и объемной доли порообразователя. При температуре спекания 1200°C пористость материала имеет значения, близкие к объемной доли порообразователя. С увеличением температуры спекания до 1500 °C пористость образцов уменьшается на 7,1-8,5 %, при этом в материале основную часть составляют открытые поры. Методом электронной микроскопии исследована пористая структура материала. Обнаружено, что при 1200°C за счёт диффузии лишь немного увеличилась область контакта между частицами, а сами частицы при этом сохранили свою форму. При 1500°C значительно увеличилась площадь контакта между частицами, произошло их взаимное сплавление с потерей первоначальной формы и сглаживание поверхности пор. Исследование с помощью ртутной порометрии пористых материалов с объемной долей порообразователя ГКА 80 % показало, что в образцах, спеченных при температурах 1200 °C сохраняется в высокой степени межчастичная пористость. Размер этих пор зависит от используемого исходного порошка карбида титана. На образцах, полученных из субмикронного порошка присутствуют поры с размером 200 – 1000 нм, а на образцах, полученных из нанопорошка размер этих пор составляет 20-90 нм. Предел прочности синтезированного материала уменьшается с ростом пористости образцов. С повышением температуры спекания увеличивается прочность материала при равных значениях пористости, что является следствием увеличения степени спекания частиц друг с другом. Для каждой из исследуемых температур спекания наблюдается рост проницаемости с увеличением объемной доли порообразователя в исходной смеси порошков. Нанесение селективного слоя приводит к снижению проницаемости материала в 1,6-4 раза.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Отработана методика получения высокопористых проницаемых материалов на основе карбида титана методами порошковой металлургии с использованием дисперсного порообразователя. Создание необходимой пористой структуры в материале производили за счет подбора дисперсности порошков порообразователя, условий формования и спекания. Методом послойной засыпки смесей нанопорошка карбида титана и порошка порообразователя различной дисперсности получен материал с градиентной пористой структурой. Исследованы пористость, распределение пор по размерам, удельная поверхность, проницаемость и механическая прочность созданных материалов. В качестве исходного материала-основы был выбран нанопорошок карбида титана с размером частиц 50 - 70 нм. Порошки карбоната аммония, успешно применяемые ранее, использовали как порообразующую добавку к порошкам карбида титана. Преимуществом данного порообразователя является легкость его удаления при температурах до 100°C и отсутствие каких-либо примесей в готовом материале. Спеканием в вакууме при температурах 1300 – 1500 °C из смесей нанопорошка карбида титана и порообразователя различной дисперсности получены материалы с пористостью 67-79 %. Исследовано влияние температуры спекания и объемной доли порообразователя на пористость материала на образцах, полученных из смеси нанопорошка карбида титана и порошка порообразователя с размером частиц 50-125 мкм. Объемное содержание последнего составляло 75, 80 и 85 %. Установлено, что с увеличением температуры спекания от 1300 до 1500 °C общая пористость уменьшается на 1,2 – 3,2%. При этом пористость спеченных материалов оказывалась ниже объемной доли порообразователя, закладываемой в исходную смесь, на 4,4 – 7,8%. Наблюдали различия пористости на образцах, полученных из нано- и субмикронных порошков карбида титана, полученных при одинаковых условиях прессования и спекания. Пористость материала из нанопорошка карбида титана несколько меньше по сравнению с материалом из субмикронного порошка карбида титана. Эта разница наиболее выражена при низких температурах спекания (в пределах исследуемых температур). Такое отличие в значениях плотности вероятно обусловлено большей активностью нанопорошка на начальных стадиях спекания. Исследовано влияние дисперсности порообразователя на пористость и проницаемость материала из нанопорошка карбида титана. Эксперименты проводили на спечённых при 1300°C образцах из нанопорошка карбида титана, содержащего 80 об. % порообразователя одного из следующих фракционных составов - 40-50, 64-100, 125-140, 200-250 и 315-400 мкм. Установлено, что с увеличением размера частиц порообразователя общая пористость материала возрастает с 73,8 до 75,4%. При этом открытая пористость, наоборот, уменьшается – с 73,3 до 68,8%. Определено, что проницаемость материала увеличивается с 0,7 до 2,4 мкм2 при увеличении размера частиц порообразователя в исходной смеси. Разработана методика получения материалов с градиентной пористой структурой за счёт использования смесей нанопорошка карбида титана и порообразователя разной дисперсности. Формирование градиентной (слоистой) пористой структуры в материалах проводили методом послойной засыпки. Засыпку осуществляли в два равных по массе слоя. Первый (базовый) слой во всех образцах формировался из смеси карбида титана и порообразователя с размером частиц от 315 до 400 мкм. Базовый слой является основой, обеспечивающей прочность и повышенную проницаемость материала. Второй слой получали из смеси с порообразователем меньшего размера - 40-50, 64-100, 125-140 или 200-250 мкм. Функциональные свойства готового образца определяются в основном вторым слоем. Аналогичным образом получены образцы, состоящие из 4 слоёв с разным размером пор. Закономерности изменения пористости от размера частиц порообразователя в двухслойных материалах аналогичны закономерностям, установленным на образцах, полученных с использованием порообразователя только одной из указанных выше дисперсностей. Исследование проницаемости материалов с градиентной пористой структурой показало её увеличение на 30-57% за счёт применения крупнопористого слоя. Исследование морфологии пористой структуры материалов методом растровой электронной микроскопии показало, что поры по всему объёму образцов имеют окна, соединяющие их с соседними порами, что обеспечивает проницаемость синтезируемых структур. По РЭМ изображениям микроструктуры излома образцов установлено, что уже при температуре 1300°C происходит рост зёрен и взаимное спекание частиц нанопорошка карбида титана, при этом наблюдается сохранение большой доли межчастичных пор в стенках материала. Разрушение материала, синтезированного при этой температуре, происходит как по границам, так и по телу зёрен. При температуре спекания 1500°C происходит дальнейший рост зерен. Методом рентгеновской компьютерной томографии исследована пористая структура синтезированных материалов, установлена степень её однородности в материале и определено распределение пор по размеру. Методом ртутной порометрии установлено наличие в материалах с градиентной структурой межпоровых каналов (окон) размером от 2 до 350 мкм. Удельная поверхность материалов, рассчитанная этим методом, составила от 0,1 до 0,18 м2/г. Установлено, что предел прочности на изгиб пористых образцов уменьшается с ростом пористости. С повышением температуры спекания от 1300 до 1500°C прочность материала увеличивается при равных значениях пористости, что является следствием увеличения степени спекания частиц друг с другом. Максимальное значение предела прочности на изгиб составило 16 МПа на образцах с пористостью 67,5%, спеченных при температуре 1500°C.