Создание и исследование свойств высокоэнтропийных оксидных фаз со структурой магнетоплюмбита

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 18-73-10049

НазваниеСоздание и исследование свойств высокоэнтропийных оксидных фаз со структурой магнетоплюмбита

Руководитель Винник Денис Александрович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" , Челябинская обл

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые слова Оксидные высокоэнтропийные фазы, гексаферриты со структурой магнетоплюмбита, фазовые равновесия, твёрдые растворы, критерии стабильности, термодинамическое моделирование, свойства

Код ГРНТИ31.15.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время одним из перспективных направлений в науке о материалах считается направление, связанное с созданием и применением высокоэнтропийных систем (прежде всего – сплавов). О росте интереса к этому направлению можно судить по числу публикаций на эту тему. Считается, что высокоэнтропийные сплавы должны содержать не менее пяти элементов, причём количество каждого из них не должно превышать 35 ат % и не должно быть меньше 5 ат. %. Часто речь идёт о многокомпонентных сплавах, в которых элементы находятся в равной атомной доле, т.е. находящихся в центральной, наименее изученной, области фазовой диаграммы. Выделение таких систем в особую группу связано с тем, что процессы структуро- и фазообразования в них, а также диффузионная подвижность атомов, механизм формирования механических свойств и термическая стабильность существенно отличаются от аналогичных процессов в традиционных сплавах, в которых основу составляют один или два элемента. Благодаря высоким значениям энтропии смешения, характерным для таких сплавов, образование в них низкоэнтропийных фаз при кристаллизации из расплава становится маловероятно. Высокая энтропия смешения компонентов в этих сплавах обеспечивает повышенную термическую стабильность фазового состава и структуры сплава, следовательно, его свойств, что является несомненным достоинством не только при эксплуатации, но и в процессе изготовления изделия, например, в процессе реализации активно развивающихся в настоящее время аддитивных технологий. В настоящее время изучено множество различных высокоэнтропийных сплавов, и, несмотря на то, что исследования носят в основном чисто научный характер и направлены на установление закономерностей влияния различных факторов на свойства получаемых твёрдых растворов, среди исследованных сплавов есть материалы, которые по твердости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионной стойкости, износостойкости и термостабильности уже могут конкурировать с лучшими традиционными сплавами специального назначения. Вышесказанное относится прежде всего к металлическим сплавам, однако в последние годы быстро растёт количество работ, направленных на получение и исследование свойств нитридных, боридных и оксидных высокоэнтропийных систем. Частное направление, связанное с созданием и исследованием высокоэнтропийных оксидных фаз, практически возникло совсем недавно и в настоящее время переживает период быстрого роста. При этом уже получены результаты, которые интересны не только с точки зрения фундаментальной науки, но и перспективны с точки зрения практического применения в качестве конструкционных и функциональных материалов. В ходе предлагаемого нами исследования планируется, прежде всего, изучить возможности получения, закономерности образования и свойства оксидных высокоэнтропийных кристаллических твёрдых растворов со структурой магнетоплюмбита. Гексаферриты M-типа со структурой магнетоплюмбита известны более полувека и благодаря своим свойствам – химической инертности, механической твердости, высоким значениям температуры Кюри, коэрцитивной силы и поля анизотропии – получили широкое распространение в различных отраслях науки и техники, в первую очередь в устройствах хранения и записи информации, а также при изготовлении постоянных магнитов. Развитие методов и устройств для исследования материалов в последние два десятилетия расширило возможности всестороннего изучения их свойств, что привело к появлению новых приложений ранее известным материалам. Так, в последние десятилетия интерес к гексаферритам возрос благодаря возможности их использования в электронике в виде объемных материалов – в магнитооптике, акустоэлектронике, в качестве сфер для устройств СВЧ диапазона, в виде тонких пленок – в устройствах хранения и перезаписи информации высокой плотности. Рост интереса исследователей к замещённым гексаферритам может быть продемонстрирован в ходе анализа публикационной активности. Перспективным на настоящий момент времени направлением исследований является создание покрытий и объемных элементов на основе ферритов для летательной техники, бронемашин, кораблей и других объектов, представляющих стратегический интерес, а также материалов для устройств телекоммуникации. При этом современная электроника идет по пути миниатюризации и, как следствие, ужесточаются требования к возможности оптимизации чистых материалов (кристаллических матриц) под конкретные задачи. Кристаллические высокоэнтропийные гексаферритные фазы могут стать материалом, который предоставит широкие возможности для плавной подстройки своих свойств в широких пределах за счёт плавного количественного изменения своего состава. Даже частичный успех запланированных работ приведёт к созданию особой разновидности функциональных материалов, которые будут востребованы при решении ряда важных практических задач. Фундаментальная научная актуальность предлагаемого исследования связана с тем, что в многокомпонентных системах, которые планируется изучить, реализуются неисследованные с термодинамических и с экспериментальных позиций фазовые равновесия. При этом важно подчеркнуть, что научная значимость планируемых результатов исследования выйдет за пределы получения новых знаний о конкретных исследуемых системах. Анализ полученных результатов позволит сделать выводы относительно общих закономерностей образования высокоэнтропийных фаз и шире того – о пределах влияния величин конфигурационной энтропии смешения на процессы стабилизации фазового состава многокомпонентных систем. Научная проблема, на решение которой направлен настоящий проект – исследование влияния высокой энтропии смешения многокомпонентных ионных систем на возможность образования и стабилизации в таких системах высокоэнтропийных кристаллических твёрдых растворов. В рамках решения этой проблемы, в процессе выполнения предлагаемого исследования, предполагается изучить возможность образования таких растворов в сложных оксидных системах со структурой магнетоплюмбита, исследование структуры и свойств таких систем. Конкретными задачами, на решение которых направлен проект, являются: 1. Получение образцов нового класса высокоэнтропийных оксидных фаз – высокоэнтропийных фаз со структурой магнетоплюмбита. 2. Исследование состава и структуры, а также свойств полученных образцов. 3. Анализ полученных экспериментальных данных с целью формулирования общих закономерностей образования высокоэнтропийных фаз со структурой магнетоплюмбита, которые будут включать в себя и критерии стабильности фаз такого рода. Уровень и масштаб поставленных задач соответствует требованиям современного развития науки в данной области. Выводы, которые предполагается сделать по итогам работы, будут опираться прежде всего на собственные экспериментальные данные и теоретические разработки. Выполнение плана, предусмотренного проектом, покажет не только принципиальную осуществимость получения высокоэнтропийных фаз со структурой магнетоплюмбита, но и заложит теоретическую основу для планомерных исследований в рамках данного направления, которые будут направлены как на получение фундаментальных знаний, так и на прикладные разработки. Новая научная идея, лежащая в основе предлагаемого исследования, заключается в том, что высокая энтропия смешения может позволить стабилизировать многокомпонентные кристаллические растворы со структурой магнетоплюмбита. В фазах, образованных сложными оксидами, эффект влияния высокой энтропии смешения на стабильность твёрдых растворов практически не изучен, что позволяет нам говорить о том, что теоретический уровень ожидаемых результатов сопоставим с мировым и даже опережает аналогичные зарубежные и отечественные разработки в данной области науки. Обнаружение стабилизированных твёрдых растворов, их термодинамическое описание, исследование температурных и концентрационных границ их стабильности, экспериментальное исследование их электрофизических и магнитных характеристик – все эти работы и их результаты будут обладать научной новизной.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Винник Д.А., Трофимов Е.А., Живулин В.Е., Зайцева О.В., Гудкова С.А., Стариков А.Ю., Жеребцов Д.А., Кирсанова А.А., Хесснер М., Нива Р. High-entropy oxide phases with magnetoplumbite structure Ceramics International (год публикации - 2019)
10.1016/j.ceramint.2019.03.221

2. Винник Д.А., Живулин В.Е., Трофимов Е.А., Стариков А.Ю., Жеребцов Д.А., Зайцева О.В., Гудкова С.А., Таскаев С.В., Клыгач Д.С., Вахитов М.Г., Сандер Е.Е., Шерстюк Д.П., Труханов А.В. Extremely Polysubstituted Magnetic Material Based on Magnetoplumbite with a Hexagonal Structure: Synthesis, Structure, Properties, Prospects Nanomaterials, 9(4), 559 (год публикации - 2019)
10.3390/nano9040559

3. Винник Д.А., Трофимов Е.А., Живулин В.Е., Зайцева О.В., Жильцова Т.А., Репин Д.В. Образование высокоэнтропийных октаэдрических кристаллов в многокомпонентных оксидных системах Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Химия" (год публикации - 2019)

4. Винник Д.А., Трофимов Е.А., Живулин В.Е., Зайцева О.В., Стариков А.Ю., Жильцова Т.А., Савина Ю.Д., Гудкова С.А., Жеребцов Д.А., Попова Д.А. Твердофазный синтез высокоэнтропийных кристаллов со структурой магнетоплюмбита в системе BaO–Fe2O3–TiO2–Al2O3–In2O3–Ga2O3–Cr2O3 Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Химия" (год публикации - 2019)

5. Трофимов Е.А., Винник Д.А., Живулин В.Е., Жеребцов Д.А., Гудкова С.А., Зайцева О.В., Стариков А.Ю., Кирсанова А.А ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ФАЗЫ СО СТРУКТУРОЙ МАГНЕТОПЛЮМБИТА ХХI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. В 6 т., Т. 2б, С. 474 (год публикации - 2019)

6. Винник Д.А., Трофимов Е.А., Живулин В.Е., Зайцева О.В., Гудкова С.А., Стариков А.Ю., Кирсанова А.А., Жеребцов Д.А. Thermodynamic Assessment of High Entropy Crystalline Phase with the Magnetotlumbite Structure XXII International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia, RCCT-2019 June 19-23, 2019, St.Petersburg, Russia: Abstracts, С. 210 (год публикации - 2019)

7. Д.А. Винник, С.В. Таскаев, А.Ю. Стариков, В.Е. Живулин Magnetic properties of high-entropy BaFe6Ti1:21Co1:15In1:17Ga1:25Cr1:22O19 ceramics with magnetoplumbite structure VII Euro-Asian Symposium «Trends in MAGnetism» EASTMAG–2019, September 08–13, 2019, Ekaterinburg, Russia. BOOK OF ABSTRACTS., Том 2, c. 200-201 (год публикации - 2019)

8. Винник Д.А., Трофимов Е.А., Живулин В.Е., Зайцева О.В., Жеребцов Д.А., Стариков А.Ю., Шерстюк Д.П., Гудкова С.А., Таскаев С.В. The new extremely substituted high entropy (Ba,Sr,Ca,La)Fe6-x(Al,Ti,Cr,Ga,In,Cu,W)xO19 microcrystals with magnetoplumbite structure Ceramics International, Volume 46, Issue 7, Pages 9656-9660 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ceramint.2019.12.232

9. Винник Д.А., Трофимов Е.А., Живулин В.Е. The conditions and results of ferrite based on multicomponent crystal formation in high entropic oxide systems Solid State Phenomena, Volume 299, Pages 246-251 (год публикации - 2020)
10.4028/www.scientific.net/SSP.299.246

10. Винник Д.А., Труханов А.В., Подгорнов Ф.В., Трофимов Е.А., Живулин В.Е., Стариков А.Ю., Зайцева О.В., Гудкова С.А., Кирсанова А.А., Таскаев С.В., Учаев Д.А., Труханов С.В., Альмесери М.А., Слимани Ю., Байкал А. Correlation between entropy state, crystal structure, magnetic and electrical properties in M-type Ba-hexaferrites Journal of the European Ceramic Society (год публикации - 2020)

11. Живулин В. Е., Трофимов Е. А., Стариков А. Ю., Гудкова С. А., Жеребцов Д. А., Зайцева О. В., Винник Д. А. Создание высокоэнтропийных оксидных фаз со структурой магнетоплюмбита Получение, структура и свойства высокоэнтропийных материалов: Тезисы международной конференции и школы молодых ученых (г. Белгород, 14-16 октября 2020 г.), страница 49 (год публикации - 2020)

12. Трофимов Е.А., Винник Д.А., Гудкова С.А., Живулин В.Е., Зайцева О.В., Жеребцов Д.А., Стариков А.Ю. Синтез и исследование свойств новых высокоэнтропийных оксидов Термодинамика и материаловедение (российско-китайский семинар «Advanced Materials and Structures»): тезисы докладов 13-го симпозиума с международным участием 26–30 октября 2020 года, страница 114 (год публикации - 2020)

13. Живулин В.Е., Трофимов Е.А., Стариков А.Ю., Гудкова С.А., Пунда А.Ю., Жеребцов Д.А., Зайцева О.В. и Винник Д.А. New high-entropy oxide phases with the magnetoplumbite structure IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 1014, Issue 1, Номер статьи 012062 (год публикации - 2021)
10.1088/1757-899X/1014/1/012062

14. Труханов А.В., Винник Д.А., Трофимов Е.А., Живулин В.Е., Зайцева О.В., Таскаев С.В., Чжоу Ди, Астапович К.А., Труханов С.В., Ян Юйцзе Correlation of the Fe content and entropy state in multiple substituted hexagonal ferrites with magnetoplumbite structure Ceramics International (год публикации - 2021)
10.1016/j.ceramint.2021.03.088

Публикации