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 22-29-01103

НазваниеРазработка научных основ нового способа реакционно-дисперсного упрочнения металлов

РуководительМатвеев Андрей Трофимович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2023 г. 

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

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

Ключевые словаметаллы, дисперсное упрочнение, сложные оксиды, наночастицы, агрегация, вискеры, нуклеация, прочность на разрыв, прочность на сжатие

Код ГРНТИ53.39.31

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен разработке нового метода дисперсного упрочнения металлов за счет реакционного синтеза дисперсной фазы на поверхности частиц металла. Дисперсное упрочнение основано на введении в металлическую матрицу керамических частиц. Использование наноразмерных керамических частиц дает возможность для еще более существенного улучшения термомеханических свойств металлов благодаря исключительным механическим свойствам наноматериалов. Однако нанопорошки склонны к образованию агрегатов, которые имеют крайне низкие механические свойства. Поэтому агрегация нанодисперсной фазы приводит к неоднородности материала и, как следствие, к большому разбросу и даже к снижению термомеханических свойств композиционного материала (КМ). Традиционные методы гомогенизации нанопорошков в металле такие, как перемешивание или ультразвуковое диспергирование в расплаве, а также методы порошковой металлургии не решают в полной мере этой проблемы. Чтобы добиться однородного распределения нанопорошка в расплаве металла необходимо длительное перемешивание или ультразвуковая обработка. При этом остается не ясно, достигнуто ли полное диспергирование агрегатов, что приводит к необходимости диагностики однородного распределения дисперсной фазы. С другой стороны, большие времена контакта расплава с нанофазой могут привести к их химическому взаимодействию и полному растворению нанофазы в металле. При использовании методов порошковой металлургии также остается проблема равномерного перемешивания порошков разного фракционного состава. Поэтому крайне актуальной задачей является разработка методов, позволяющих получить однородную дисперсию керамических наночастиц в металлической матрице. Принципиальная новизна настоящего проекта состоит в том, что для решения этой задачи предлагается НЕ вводить порошок наночастиц в металл, а синтезировать керамические (оксидные) наночастицы на поверхности металлических частиц и использовать для этого реакцию поверхностного оксидного слоя на частицах металлов с реакционными оксидами, нанесенными на их поверхность. В результате такой реакции образуются смешанные оксиды, размер и морфология которых зависят от состава реакционного оксида, толщины оксидного слоя и температуры синтеза. Предметом исследования являются КМ на основе алюминия. Авторы проекта имеют большой опыт по синтезу Al-КМ традиционными методами порошковой металлургии. В качестве реакционных оксидов будут исследованы оксид бора, бораты лития и натрия, нитрат магния и силикат натрия, которые при взаимодействии с оксидом алюминия дают алюмобораты, алюминаты лития, натрия, магния и кремния (алюмосиликаты), обладающие высокими значениями термомеханических свойств. В научном плане исследования будут направлены на выяснения составов и условий, при которых образуются наноструктуры алюминатов в виде нановискеров или нанолистов, которые имеют исключительно высокие механические свойства и поэтому являются наиболее перспективными для упрочнения алюминия. Для этого будут изучены условия синтеза: состав реакционных оксидов, их концентрация, толщина поверхностного оксидного слоя и температура синтеза, определяющие образование наноструктур алюминатов различной морфологии. Из порошков алюминия с синтезированными на их поверхности наноструктурами алюминатов будут приготовлены композиционные материалы методом искрового плазменного спекания и исследованы их термомеханические свойства (прочность на разрыв и на сжатие) при комнатной температуре, а также при 573 и 773 К. Данные, полученные в результате выполнения этого проекта, позволят проверить предлагаемую концепцию дисперсного упрочненных металлов за счет реакционного синтеза дисперсной фазы на поверхности частиц металла и могут послужить основой для развития новой технологии производства высокопрочных металломатричных композитов.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут изучены процессы нуклеации и роста наноструктур алюминатов на поверхности частиц алюминия в результате взаимодействия реакционных оксидов, нанесенных на их поверхность, с поверхностным оксидным слоем алюминия. В качестве реакционных оксидов будут исследованы оксидные системы на основе боратов лития и натрия, оксида бора, оксида магния и оксида кремния (силикат натрия). Будут определены факторы (состав и размер частиц реакционного оксида, толщина оксидного слоя алюминия, температура синтеза), приводящие к росту наноструктур алюминатов в виде нановискеров, нанолистов, или наночастиц с большим фактором анизотропии формы (больше 10), что необходимо для достижения максимальной механической прочности КМ. Будут синтезированы порошки алюминия с разной поверхностной концентрацией оксидных наночастиц. Из этих порошков алюминия будут синтезированы композиционные материалы методом искрового плазменного спекания и будут исследованы их термомеханические свойства (прочность на разрыв и на сжатие) при комнатной температуре и при 573 и 773 К. Основным ожидаемым результатом проекта является подтверждение эффективности нового метода дисперсного упрочнения алюминия за счет реакционного синтеза дисперсной фазы на поверхности частиц алюминия. Однако значимость этого результата гораздо больше, поскольку этот метод применим не только к алюминию, но для широкого круга металлов, которые используются в промышленности в качестве конструкционных материалов при повышенных температурах: Mg, Ti, Zr, Nb, Ta. Эти металлы имеют высокое сродство к кислороду, что является условием смачиваемости оксидных наночастиц расплавом этих металлов и предотвращения их агрегации в расплаве. Поэтому выполнение проекта создаст предпосылки для развития новой научной тематики – реакционно-дисперсного упрочнение металлов. По результатам исследований будет представлен доклад на одной научной конференции и опубликованы не менее трех статей в реферируемых журналах и оформлено не менее одно ноу-хау или патента.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект посвящен изучению формирования оксидных наночастиц с большим фактором анизотропии формы для создания композиционных материалов на основе алюминия. В основе метода лежит новый концептуальный подход к созданию дисперсно упрочненного алюминия за счет синтеза вторичных керамических наночастиц на поверхности частиц алюминия за счет реакции поверхностного оксидного слоя с дополнительными реакционными оксидами. На данном этапе отработана методика контролируемого окисления поверхности микронных частиц алюминия. Изучено образование наноструктур алюминатов при взаимодействии оксидного слоя алюминия с дополнительными реакционными оксидами, нанесенными на поверхность частиц алюминия. В качестве реакционных оксидов были изучены следующие соединения: борная кислота (H3BO3), нитрат лития (LiNO3), нитрат магния (Mg (NO3)2) и силикат натрия (Na2SiO3). Изучено образование наноструктур в системе Al/AlOx. Впервые обнаружено образование нанотрубок оксида алюминия при кристаллизации окисленного слоя алюминия. Условия, при которых наблюдается максимальная концентрация нанотрубок: окисление алюминия в течение 180 мин при 600 оС с последующим высокотемпературным отжигом в аргоне при 1000 оС в течение 60 мин. Изучено образование наноструктур в системе Al-Ox/LiNO3. Установлено образование наноусов оксида алюминия. Оптимальными условиями для их роста являются: окисление алюминия в течение 180 мин при 600 оС с последующим высокотемпературным отжигом в аргоне при 900 оС в течение 60 мин. Изучено образование наноструктур в системе Al-Ox/Mg(NO3)2. Установлено образование наноусов оксида алюминия. Оптимальными условиями для их роста являются: окисление алюминия в течение 180 мин при 600 оС с последующим высокотемпературным отжигом в аргоне при 1000 оС в течение 60 мин. Изучено образование наноструктур в системе Al-Ox/Na2SiO3. Установлено образование наноусов оксида алюминия. Оптимальными условиями для их роста являются: окисление алюминия в течение 180 мин при 600 оС с последующим высокотемпературным отжигом в аргоне при 900-1000 оС в течение 60 мин. Изучено образование наноструктур в системе Al-Ox/H3BO3. Установлено, что при исследованных параметрах наноусы в этой системе не образуются. Наиболее перспективной системой для получения композиционных материалов на основе алюминия, упрочненного наноструктурами оксида алюминия, представляется система Al-Ox/LiNO3. Изучено образование вторичных фаз в композиционных материалах (КМ) на основе наноалюминия за счет реакции поверхностного оксидного слоя алюминия и первичных реакционных добавок таких, как оксинитрид кремния (SiNxOy) и гексагональный нитрид бора (h-BN). Установлено, что в результате in-situ реакции поверхностного оксидного слоя алюминия и первичных реакционных добавок образуются вторичные фазы, что обеспечивает более прочные межфазные границы в КМ и формирует армирующие керамические нановключения, что приводит к улучшению термомеханических свойств КМ. По результатам исследований представлен один доклад на конференции и опубликовано 2 статьи в международных журналах.

 

Публикации

1. Корте Ш., Кутжанов М.К., Матвеев А.Т., Бондарев А.В., Лейбо Д.В., Штанский Д.В. Nanopowder derived Al/h-BN composites with high strength and ductility Journal of Alloys and Compounds, vol. 912, p.p. 165199-165210 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.165199

2. Кутжанов М.К., Матвеев А.Т., Бондарев А.В., Полкар Т., Дучён Я., Штанский Д.В. Al-based composites reinforced with ceramic particles formed by in-situ reactions between Al and amorphous SiNxOy. Materials Science & Engineering A, 842, 143105-143115 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143105

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект посвящен апробации нового концептуального подхода к созданию дисперсно упрочненных металлов таких, как алюминий, титан, никель, цирконий. Основной проблемой, на решение которой направлен проект, является агрегация керамических наночастиц при создании дисперсно упрочненных КМ. Научная значимость проекта состоит в апробации нового концептуального подхода к созданию дисперсно упрочненных металлов за счет синтеза керамических наноструктур на поверхности металлических частиц, образующих матрицу КМ. В качестве модельного материала выбран алюминий, так он имеет огромное значение для промышленности. Целью проекта является разработка нового метода дисперсного упрочнения металлов на примере Al-КМ, за счет реакционного синтеза дисперсной фазы на поверхности частиц окисленного Al. В проекте изучено формирование наноструктур с большим фактором анизотропии формы (больше 10) в системах Al/Al2O3, Al/LiNO3, Al/Mg(NO3)2, Al/Na2SiO3, Al/H3BO3. Изучены процессы нуклеации и роста этих наноструктур на поверхности частиц Al в результате взаимодействия поверхностного оксидного слоя алюминия с реакционными оксидами, нанесенными на поверхность окисленного Al. Изучены факторы, определяющие морфологию наноструктур – толщина поверхностного оксидного слоя алюминия, состав и концентрация реакционных оксидов, температура и время синтеза. Установлены условия, при которых в этих системах образуются игольчатые нанокристаллы (вискеры). Впервые обнаружен рост нановискеров в системе Al/Al2O3 и предложена модель их роста. Методами рентгенофазового анализа, сканирующей просвечивающей электронной микроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии определен фазовый состава вискеров в системе Al/LiNO3 и факторы, влияющие на размер и концентрацию нановискеров алюмината лития LiAlO2. Методом искрового плазменного спекания (ИПС) изготовлены КМ на основе Al, упрочнённого нановискерами LiAlO2. Изучены их термомеханические свойства: твердость, прочность на разрыв при 25, 300 и 500 оС, износостойкость к ударным нагрузкам при 500 и 700 Н (по 100000 циклов). Показано, что при комнатной температуре прочность и твердость алюминия возрастают более, чем на 60 % при добавлении 0.9 масс. % LiAlO2 вискеров. Для повышения прочности предложен подход, позволяющий повысить концентрацию нановискеров в Al-КМ. Полученные результаты на примере алюминия и нановискеров алюмината лития подтверждают выдвинутую новую концепцию создания дисперсно упрочненных композитов за счет формирования на поверхности частиц металла наночастиц оксидов, образующихся в результате взаимодействия поверхностного оксидного слоя и дополнительного реакционного оксида, нанесенного на поверхность окисленных частиц. Показано, что этот метод позволяет получать наноструктуры с большим фактором формы. Новый подход обеспечивает равномерное распределение упрочняющей фазы в матрице КМ и существенно упрощает технологию производства КМ, поскольку исключает использование шарового размола для приготовления порошковых смесей. Новая концепция применима к широкому кругу металлов с достаточно высоким сродством к кислороду: Mg, Ti, Ni, Zr, Y.

 

Публикации

1. А.Т. Матвеев, Д.В. Штанский, У.У. Нарзуллоев Способ получения нановискеров алюминатов на частицах алюминия -, №24-774-2023, зарегистрировано в Депозитарии НИТУ МИСИС (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты на примере алюминия и нановискеров алюмината лития подтверждают предложенную в проекте новую концепцию создания дисперсно упрочненных композитов за счет формирования на поверхности частиц металла наночастиц оксидов, образующихся в результате взаимодействия поверхностного оксидного слоя и дополнительного реакционного оксида, нанесенного на поверхность окисленных частиц. Показано, что этот метод позволяет получать наноструктуры с большим фактором анизотропии формы, в том числе игольчатые монокристаллы (вискеры). Поверхностная концентрация вискеров зависит от толщины оксидного слоя на поверхности металлических частиц и количества реакционного оксида, осажденного на окисленные частицы. Новый подход обеспечивает равномерное распределение упрочняющей фазы в матрице КМ и существенно упрощает технологию их производства, поскольку не требует приготовления порошковых смесей методом шарового размола. Масса нановискеров в КМ может меняться за счет размера частиц исходного металла. Концепция применима к широкому кругу металлов с достаточно высоким сродством к кислороду:Mg, Ti, Ni, Zr, Y.