Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проект посвящён разработке научно-технических основ высокотемпературного синтеза порошков металломатричных композиционных материалов на основе системы Al-TiC с применением пластиковых отходов. В рамках проекта были получены опытные партии металломатричных композиционных ЭКО-порошков систем Ti-C-Al и Ti-C-Al-N, синтезированные в режиме высокотемпературных экзотермических реакций (высокотемпературный синтез). Согласно результатам рентгенофазового и элементного анализов, продукты синтеза из смеси с 10 мас.% Al состоят из алюминиевой матрицы (Al), внутри которой распределены округлые частицы карбида титана (TiC), а также частицы карбида алюминия (Al4C3) неправильной формы. Продукты синтеза из системы с 30 мас.% Al состоят из матрицы на основе сплава Al0,95Ti0,05, внутри которой распределены частицы субстехиометрического карбида титана (TiC0,85) и карбида алюминия. На границах этих частиц формируются MAX-фазы Ti5Al2C3 и Ti2AlC. Продукты синтеза из системы с 60 мас.% Al состоят из матрицы на основе сплава Al0,85Ti0,15, внутри которой распределены островные области твердого раствора (Al,Ti)C, а также MAX-фаза Ti2AlC и интерметаллид TiAl3. При изменении среды синтеза на азот структурно-фазовое состояние продуктов изменяется. Они состоят из неупорядоченных растворов (Ti, Al)(C, N) и Al(Ti)N(C). В основе этих фаз лежат структуры карбида титана и нитрида алюминия, решетки которых искажены внедрением атомов других элементов. Структура представлена агломератами частиц размером от 0.3 до 5 мкм, со средним размером 0.713 мкм. В рамках исследования определен состав побочного газообразного продукта от реакции системы Ti-PET-Al (60 масс.% Al). Газ в основном состоит из водорода и монооксида углерода (синтез-газ), с примесями углеводородов и диоксида углерода. Были определены зависимости температуры и скорости синтеза, а также фазового состава и структуры продуктов от состава исходной смеси и среды процесса. Показано, что инициирование реакции с нижнего основания образца является более оптимальным, так как ее фронт движется вверх сонаправленно выделению газовых продуктов. Установлено, что повышение концентрации алюминия способствует снижению температуры синтеза и увеличению продолжительности взаимодействия компонентов. С увеличением массовой доли алюминия наблюдается изменение фазового состава. В диапазоне 30-60 мас.% Al в продуктах формируется MAX-фаза Ti2AlC. При концентрации алюминия 60 мас.% образуется гибридный композит: (Al-Ti)-(Al,Ti)С-Ti2AlC-Al3Ti, который может обладать высокими физико-механическими свойствами. При изменении среды синтеза на азот интенсивность реакции увеличивается из-за протекания двух высокоэкзотермических реакций, а продукты состоят из неупорядоченных растворов (Ti, Al)(C, N) и Al(Ti)N(C). В вакууме и воздушной среде синтез не протекает полностью из-за разрыва фронта реакции, связанного с высокой интенсивностью выделения газов в вакууме и их горением в воздухе. На основании полученных результатов предложен механизм высокотемпературного синтеза ЭКО-порошков. После осуществления реакции в поджигающей таблетке тепло прогревает слой исходного образца. Это приводит к разложению пластика и инициированию высокоэкзотермической реакции образования оксикарбида титана (TiC0,5O0,5). Далее осуществляется эндотермический процесс плавления алюминия и титана. В полученном расплаве происходит растворение оставшегося углерода и образование частиц карбида алюминия. TiC0,5O0,5 также реагирует с углеродом до образования карбида титана (TiC) и монооксида углерода (CO). Затем частицы TiC и Al4C3 растворяются в расплаве (Ti-Al). При достижении предела растворения они взаимодействуют друг с другом и компонентами расплава путем диффузии. Это приводит к образованию промежуточного раствора (Ti,Al)C, а затем к формированию MAX-фазы Ti2AlC, интерметаллида TiAl3 и сплава (Al0.85Ti0.15). Высокое содержание алюминия (60 масс.%) препятствует переходу Ti2AlC в Ti5Al2C3. При синтезе в азоте первой основной реакцией также является образование оксикарбида титана, который взаимодействует с углеродом до образования TiC. Далее плавится алюминий. В расплаве растворяются частицы TiC, свободного титана и углерода. Одновременно происходит насыщение раствора азотом, что приводит ко второй экзотермической реакции. Из раствора образуются фазы на основе карбида титана и нитрида алюминия с внедренными элементами системы — твердые растворы (Ti,Al)(C,N) и Al(Ti)N(C).