📄Работа №201708
Тема: ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И СВОЙСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ВЫСОКОНАПОЛНЕННЫХ ПРЕКЕРАМИЧЕСКИХ БУМАГ НА ОСНОВЕ МАХ-ФАЗ
Характеристики работы
Тип работы
Диссертация
Предмет
Физика
Объем:
344 листов
Год:
2024
Просмотров:
112
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
Введение 8
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния экспериментальных исследований в области получения керамических материалов на основе МАХ-фаз 26
1.1 Технологии получения керамических материалов на основе МАХ-фаз 28
1.1.1 Горячее прессование и горячее изостатическое прессование 29
1.1.2 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез 30
1.1.3 Искровое плазменное спекание 32
1.1.4 Получение пористых и градиентных материалов на основе МАХ-фаз
35
1.1.5 Технологии получения керамических матричных композитов на
основе MAX-фаз 39
1.2 Структурно-фазовое состояние материалов на основе МАХ-фаз 40
1.2.1 Микроструктура материалов на основе МАХ-фаз 40
1.2.2 Фазовый состав синтезируемых и спекаемых МАХ-фаз 46
1.3 Физико-механические свойства материалов на основе МАХ-фаз 50
1.3.1 Влияние размера зерна и пористости на физико-механические свойства
MAX-фаз и композитов на их основе 56
1.3.2 Влияние вторичных фаз на физико-механические свойства MAX-фаз
и композитов на их основе 60
1.3.3 Механические свойства армированных и ламинированных композитов
на основе MAX-фаз 65
1.4 Коррозионное поведение титансодержащих МАХ-фаз 71
1.5 Выводы по главе 1 78
ГЛАВА 2. Получение и экспериментальные исследования композитных материалов на основе МАХ-фаз из прекерамических бумаг 80
2.1 Получение прекерамических бумаг с порошковым наполнителем на
основе МАХ-фаз 80
2.2 Получение материалов на основе МАХ-фаз методом искрового
плазменного спекания 87
2.3 Методика получения композитов из прекерамических бумаг на основе
МАХ-фаз 89
2.3.1 Получение однородных композитов из прекерамических бумаг на
основе МАХ-фаз 91
2.3.2 Получение градиентных по составу композитов из прекерамических
бумаг на основе МАХ-фаз 92
2.3.3 Получение градиентных по пористости композитов из
прекерамических бумаг на основе МАХ-фаз 93
2.4 Методика подготовки и получения композиционных материалов на
основе SiC/Ti3SiC2 и SiC/TisAl(Si)C2, армированных непрерывными волокнами 95
2.5 Методика подготовки и получения композиционных металл- керамических материалов из прекерамических бумаг на основе МАХ-фаз и
фольг тугоплавких металлов 98
2.6 Подготовка материалов из прекерамических бумаг на основе МАХ-фаз
для исследований 99
2.7 Структурно-фазовые исследования материалов из прекерамических
бумаг на основе МАХ-фаз 100
2.8 Измерение физико-механических свойств полученных материалов .... 102
2.8.1 Измерение плотности и пористости 102
2.8.2 Измерения твёрдости 103
2.8.3 Прочность при изгибе 104
2.8.4 Испытания на трещиностойкость 105
2.9 Высокотемпературные коррозионные испытания 106
2.10 Экспериментальные измерения теплофизических свойств композитных
материалов 107
2.11 Математическое моделирование нагрева и прогнозирование теплофизических свойств ламинированных металл-керамических композитов
108
2.11.1 Постановка задачи прогрева с выходом на стационарный режим
типичного образца ламинированного композита 108
2.12 Краткое описание метода первопринципных расчётов атомной и
электронной структуры твёрдорастворной МАХ-фазы Т1з(А11-х81х)С2 116
2.13 Основные результаты и выводы по главе 2 121
ГЛАВА 3 Получение, структура и свойства композитных материалов на основе МАХ-фаз, получаемых из прекерамических бумаг методом искрового плазменного спекания 123
3.1 Получение композитных материалов из прекерамических бумаг на основе
МАХ-фазы Ti3SiC2 123
3.1.1 Особенности уплотнения композитов при искровом плазменном
спекании прекерамических бумаг на основе МАХ-фазы Ti3SiC2 125
3.1.2 Влияние параметров искрового плазменного спекания на фазовый состав композитов, полученных из прекерамических бумаг на основе Ti3SiC2 131
3.1.3 Влияние давления и температуры спекания на микроструктуру
композитов на основе Ti3SiC2 137
3.1.4 Механические свойства и механизмы разрушения композитов на
основе Ti3SiC2 145
3.2 Формирование композитов на основе МАХ-фазы Ti3A1(Si)C2 150
3.2.1 Особенности уплотнения композитов при искровом плазменном
спекании прекерамических бумаг на основе МАХ-фазы Ti3A1(Si)C2 151
3.2.2 Влияние температуры и давления спекания на фазовый состав и
микроструктуру композитов на основе Ti3A1(Si)C2 154
3.2.3 Механические свойства и механизмы разрушения композитов,
полученных из прекерамических бумаг на основе Ti3A1(Si)C2 158
3.3 Термическая стабильность композитов на основе Ti3SiC2 и Ti3A1(Si)C2163
3.4 Первопринципные расчёты влияния элементного состава А-слоя на параметры решетки и энергию связи Al и Si в твёрдорастворной МАХ-фазе
Ti3(Ali-xSix)C2 167
3.5 Основные результаты и выводы по главе 3 175
ГЛАВА 4 Функциональные градиентные по составу и пористости материалы
на основе МАХ-фаз 179
4.1 Градиентные по составу материалы на основе твёрдорастворных МАХ-
фаз Ti3(Si,Al)C2 179
4.1.1 Макроструктура и усадка градиентных композитов на основе
твёрдорастворных МАХ-фаз Ti3(Si,Al)C2 180
4.1.2 Микроструктура градиентных композитов на основе
твёрдорастворных МАХ-фаз Ti3(Si,Al)C2 185
4.1.3 Механические свойства градиентных композитов на основе
твёрдорастворных МАХ-фаз Ti3(Si,Al)C2 188
4.1.4 Коррозионная стойкость градиентных композитов на основе
твёрдорастворных МАХ-фаз Ti3(Si,Al)C2 195
4.2 Градиентные по пористости композитные материалы на основе МАХ-фаз 203
4.2.1 Исследование влияния доли целлюлозных волокон в прекерамической
бумаге на основе МАХ-фазы Ti3SiC2 на микроструктуру и пористость композитов 205
4.2.2 Получение градиентных пористых композитов на основе МАХ-фазы
Ti3SiC2 210
4.2.3 Получение градиентных пористых композитов на основе МАХ-фазы
Ti3Al(Si)C2 214
4.3 Основные результаты и выводы по главе 4 219
ГЛАВА 5 Композиционные материалы из прекерамических бумаг на основе МАХ-фаз 222
5.1 Композиционные материалы на основе SiC/Ti3SiC2 и SiC/Ti3Al(Si)C2.222
5.1.1 Структурно-фазовое состояние КМК на основе SiC/TisSiCi и
SiC/TisAl(Si)C2 224
5.1.2 Формирование КМК с различной укладкой волокон 227
5.1.3 Взаимодействие волокон SiC с керамической матрицей 229
5.1.4 Механические свойства КМК на основе SiC/Ti3SiC2 и SiC/Ti3Al(Si)C2 235
5.1.5 Механизмы разрушения КМК на основе на основе SiC/Ti3SiC2 и SiC/Ti3Al(Si)C2 238
5.2 Композиционные металл-керамические материалы на основе Nb/Ti3Al(Si)C2 242
5.2.1 Формирование ламинированных композитов с различной архитектурой 243
5.2.2 Фазовый состав металл-керамических композитов на основе
Nb/Ti3Al(Si)C2 246
5.2.3 Особенности формирования и эволюции реакционного слоя на границе
раздела металл/керамика 248
5.2.4 Механические свойства и деформационное поведение
ламинированных композитов на основе Nb/Ti3Al(Si)C2 257
5.2.5 Высокотемпературное окисление композитов на основе Ti3Al(Si)C2 и ламинированных композитов на основе Nb/Ti3Al(Si)C2 270
5.2.5.1 Эволюция реакционного слоя в ламинированных композитах при высокотемпературном воздействии при испытаниях на окисление 270
5.2.5.2 Влияние температуры на коррозионную стойкость металл-
керамических композитов Nb/Ti3Al(Si)C2 272
5.2.5.3 Фазовый состав и микроструктура ламинированных металл-
керамических композитов после высокотемпературного окисления 274
5.2.5.4 Окисление металлических слоёв и механизм разрушения металл-
керамических композитов Nb/Ti3Al(Si)C2 278
5.2.6 Теплофизические свойства ламинированных металл-керамических композитов 283
5.2.6.1 Экспериментальные данные по теплофизическим свойствам
керамических композитов на основе Ti3Al(Si)C2 и ламинированных композитов на основе Nb/Ti3Al(Si)C2 283
5.2.6.2 Результаты численного моделирования распределения температуры
и выхода на стационарный режим металл-керамических композитов при нагреве 286
5.2.6.3. Результаты численного моделирования теплофизических свойств ламинированных композитов в зависимости от их архитектуры и толщины 289
5.3 Основные результаты и выводы по главе 5 296
Заключение 300
Сокращения и условные обозначения 302
Список использованных источников 304
Приложение А. Акт внедрения 346
Приложение Б. Акт испытаний материалов 347
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния экспериментальных исследований в области получения керамических материалов на основе МАХ-фаз 26
1.1 Технологии получения керамических материалов на основе МАХ-фаз 28
1.1.1 Горячее прессование и горячее изостатическое прессование 29
1.1.2 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез 30
1.1.3 Искровое плазменное спекание 32
1.1.4 Получение пористых и градиентных материалов на основе МАХ-фаз
35
1.1.5 Технологии получения керамических матричных композитов на
основе MAX-фаз 39
1.2 Структурно-фазовое состояние материалов на основе МАХ-фаз 40
1.2.1 Микроструктура материалов на основе МАХ-фаз 40
1.2.2 Фазовый состав синтезируемых и спекаемых МАХ-фаз 46
1.3 Физико-механические свойства материалов на основе МАХ-фаз 50
1.3.1 Влияние размера зерна и пористости на физико-механические свойства
MAX-фаз и композитов на их основе 56
1.3.2 Влияние вторичных фаз на физико-механические свойства MAX-фаз
и композитов на их основе 60
1.3.3 Механические свойства армированных и ламинированных композитов
на основе MAX-фаз 65
1.4 Коррозионное поведение титансодержащих МАХ-фаз 71
1.5 Выводы по главе 1 78
ГЛАВА 2. Получение и экспериментальные исследования композитных материалов на основе МАХ-фаз из прекерамических бумаг 80
2.1 Получение прекерамических бумаг с порошковым наполнителем на
основе МАХ-фаз 80
2.2 Получение материалов на основе МАХ-фаз методом искрового
плазменного спекания 87
2.3 Методика получения композитов из прекерамических бумаг на основе
МАХ-фаз 89
2.3.1 Получение однородных композитов из прекерамических бумаг на
основе МАХ-фаз 91
2.3.2 Получение градиентных по составу композитов из прекерамических
бумаг на основе МАХ-фаз 92
2.3.3 Получение градиентных по пористости композитов из
прекерамических бумаг на основе МАХ-фаз 93
2.4 Методика подготовки и получения композиционных материалов на
основе SiC/Ti3SiC2 и SiC/TisAl(Si)C2, армированных непрерывными волокнами 95
2.5 Методика подготовки и получения композиционных металл- керамических материалов из прекерамических бумаг на основе МАХ-фаз и
фольг тугоплавких металлов 98
2.6 Подготовка материалов из прекерамических бумаг на основе МАХ-фаз
для исследований 99
2.7 Структурно-фазовые исследования материалов из прекерамических
бумаг на основе МАХ-фаз 100
2.8 Измерение физико-механических свойств полученных материалов .... 102
2.8.1 Измерение плотности и пористости 102
2.8.2 Измерения твёрдости 103
2.8.3 Прочность при изгибе 104
2.8.4 Испытания на трещиностойкость 105
2.9 Высокотемпературные коррозионные испытания 106
2.10 Экспериментальные измерения теплофизических свойств композитных
материалов 107
2.11 Математическое моделирование нагрева и прогнозирование теплофизических свойств ламинированных металл-керамических композитов
108
2.11.1 Постановка задачи прогрева с выходом на стационарный режим
типичного образца ламинированного композита 108
2.12 Краткое описание метода первопринципных расчётов атомной и
электронной структуры твёрдорастворной МАХ-фазы Т1з(А11-х81х)С2 116
2.13 Основные результаты и выводы по главе 2 121
ГЛАВА 3 Получение, структура и свойства композитных материалов на основе МАХ-фаз, получаемых из прекерамических бумаг методом искрового плазменного спекания 123
3.1 Получение композитных материалов из прекерамических бумаг на основе
МАХ-фазы Ti3SiC2 123
3.1.1 Особенности уплотнения композитов при искровом плазменном
спекании прекерамических бумаг на основе МАХ-фазы Ti3SiC2 125
3.1.2 Влияние параметров искрового плазменного спекания на фазовый состав композитов, полученных из прекерамических бумаг на основе Ti3SiC2 131
3.1.3 Влияние давления и температуры спекания на микроструктуру
композитов на основе Ti3SiC2 137
3.1.4 Механические свойства и механизмы разрушения композитов на
основе Ti3SiC2 145
3.2 Формирование композитов на основе МАХ-фазы Ti3A1(Si)C2 150
3.2.1 Особенности уплотнения композитов при искровом плазменном
спекании прекерамических бумаг на основе МАХ-фазы Ti3A1(Si)C2 151
3.2.2 Влияние температуры и давления спекания на фазовый состав и
микроструктуру композитов на основе Ti3A1(Si)C2 154
3.2.3 Механические свойства и механизмы разрушения композитов,
полученных из прекерамических бумаг на основе Ti3A1(Si)C2 158
3.3 Термическая стабильность композитов на основе Ti3SiC2 и Ti3A1(Si)C2163
3.4 Первопринципные расчёты влияния элементного состава А-слоя на параметры решетки и энергию связи Al и Si в твёрдорастворной МАХ-фазе
Ti3(Ali-xSix)C2 167
3.5 Основные результаты и выводы по главе 3 175
ГЛАВА 4 Функциональные градиентные по составу и пористости материалы
на основе МАХ-фаз 179
4.1 Градиентные по составу материалы на основе твёрдорастворных МАХ-
фаз Ti3(Si,Al)C2 179
4.1.1 Макроструктура и усадка градиентных композитов на основе
твёрдорастворных МАХ-фаз Ti3(Si,Al)C2 180
4.1.2 Микроструктура градиентных композитов на основе
твёрдорастворных МАХ-фаз Ti3(Si,Al)C2 185
4.1.3 Механические свойства градиентных композитов на основе
твёрдорастворных МАХ-фаз Ti3(Si,Al)C2 188
4.1.4 Коррозионная стойкость градиентных композитов на основе
твёрдорастворных МАХ-фаз Ti3(Si,Al)C2 195
4.2 Градиентные по пористости композитные материалы на основе МАХ-фаз 203
4.2.1 Исследование влияния доли целлюлозных волокон в прекерамической
бумаге на основе МАХ-фазы Ti3SiC2 на микроструктуру и пористость композитов 205
4.2.2 Получение градиентных пористых композитов на основе МАХ-фазы
Ti3SiC2 210
4.2.3 Получение градиентных пористых композитов на основе МАХ-фазы
Ti3Al(Si)C2 214
4.3 Основные результаты и выводы по главе 4 219
ГЛАВА 5 Композиционные материалы из прекерамических бумаг на основе МАХ-фаз 222
5.1 Композиционные материалы на основе SiC/Ti3SiC2 и SiC/Ti3Al(Si)C2.222
5.1.1 Структурно-фазовое состояние КМК на основе SiC/TisSiCi и
SiC/TisAl(Si)C2 224
5.1.2 Формирование КМК с различной укладкой волокон 227
5.1.3 Взаимодействие волокон SiC с керамической матрицей 229
5.1.4 Механические свойства КМК на основе SiC/Ti3SiC2 и SiC/Ti3Al(Si)C2 235
5.1.5 Механизмы разрушения КМК на основе на основе SiC/Ti3SiC2 и SiC/Ti3Al(Si)C2 238
5.2 Композиционные металл-керамические материалы на основе Nb/Ti3Al(Si)C2 242
5.2.1 Формирование ламинированных композитов с различной архитектурой 243
5.2.2 Фазовый состав металл-керамических композитов на основе
Nb/Ti3Al(Si)C2 246
5.2.3 Особенности формирования и эволюции реакционного слоя на границе
раздела металл/керамика 248
5.2.4 Механические свойства и деформационное поведение
ламинированных композитов на основе Nb/Ti3Al(Si)C2 257
5.2.5 Высокотемпературное окисление композитов на основе Ti3Al(Si)C2 и ламинированных композитов на основе Nb/Ti3Al(Si)C2 270
5.2.5.1 Эволюция реакционного слоя в ламинированных композитах при высокотемпературном воздействии при испытаниях на окисление 270
5.2.5.2 Влияние температуры на коррозионную стойкость металл-
керамических композитов Nb/Ti3Al(Si)C2 272
5.2.5.3 Фазовый состав и микроструктура ламинированных металл-
керамических композитов после высокотемпературного окисления 274
5.2.5.4 Окисление металлических слоёв и механизм разрушения металл-
керамических композитов Nb/Ti3Al(Si)C2 278
5.2.6 Теплофизические свойства ламинированных металл-керамических композитов 283
5.2.6.1 Экспериментальные данные по теплофизическим свойствам
керамических композитов на основе Ti3Al(Si)C2 и ламинированных композитов на основе Nb/Ti3Al(Si)C2 283
5.2.6.2 Результаты численного моделирования распределения температуры
и выхода на стационарный режим металл-керамических композитов при нагреве 286
5.2.6.3. Результаты численного моделирования теплофизических свойств ламинированных композитов в зависимости от их архитектуры и толщины 289
5.3 Основные результаты и выводы по главе 5 296
Заключение 300
Сокращения и условные обозначения 302
Список использованных источников 304
Приложение А. Акт внедрения 346
Приложение Б. Акт испытаний материалов 347
📖 Аннотация
В данной диссертационной работе разработаны научные основы формирования функциональных материалов на основе наноламинатных MAX-фаз методом искрового плазменного спекания (SPS) высоконаполненных прекерамических бумаг. Исследование актуально в связи с растущей потребностью промышленности в мультифункциональных материалах для экстремальных условий, сочетающих высокую термостойкость, прочность и коррозионную стойкость керамик с вязкостью и обрабатываемостью металлов, что характерно для MAX-фаз. Основные результаты заключаются в установлении закономерностей эволюции микроструктуры и свойств в зависимости от параметров спекания и состава бумаг, что позволило определить оптимальные режимы для получения материалов с заданным фазовым составом, пористостью и градиентной архитектурой. Экспериментально продемонстрирована эффективность подхода для синтеза однородных и градиентных материалов, ламинированных металл-керамических композитов с повышенной вязкостью разрушения, а также керамических матричных композитов, армированных волокнами SiC. Научная значимость работы заключается в формировании новых принципов структурного дизайна композитов на основе MAX-фаз, а практическая – в создании технологических основ для производства перспективных материалов для энергетики, транспорта и машиностроения. Теоретический анализ, включающий работы Barsoum M.W. по фундаментальным свойствам MAX-фаз, Haemers J. и соавт. по методам синтеза, а также Sokol M. и соавт. по химическому разнообразию этих соединений, позволил обосновать выбор объекта и методов исследования.
📖 Введение
Актуальность работы.
Одним из важнейших направлений современной науки и промышленности является разработка и получение мультифункциональных материалов, способных к работе в экстремальных условиях при высоких температурах, механических нагрузках и агрессивной коррозионной среде. Перспективными с данной точки зрения являются материалы на основе термодинамически стабильных, тугоплавких, наноламинатных MAX-фаз, представляемых в общем виде формулой Mn+iAXn, где М - переходный металл, А - элемент IIIA-IVA подгруппы периодической системы, Х - углерод, азот или бор. Сочетая в себе преимущества керамики и металлов, MAX-фазы имеют высокую термическую и коррозионную стойкость, прочность, стойкость к термическому удару, относительно высокую электро- и теплопроводность, легкость в механической и электроэрозионной обработке. Физико-механические свойства МАХ-фаз могут быть повышены за счёт формирования твёрдых растворов путём замещения атомов в М-, А- и Х-слоях, а также создания композитных материалов, упрочненных частицами вторичных фаз, например TiC, Al2O3, SiC и др.
На сегодняшний день, композитные материалы на основе MAX-фаз являются многообещающими кандидатами для применения в энергетических и транспортных отраслях, например в качестве высоконагруженных деталей узлов и агрегатов машин, элементов высокотемпературных пар трения, токоприемников для электротранспорта, нагревательных элементов, армирующих добавок для композиционных материалов, катализаторов и др.
Несмотря на то, что при повышенных температурах и механических нагрузках MAX-фазам присуща пластическая деформация, при комнатных температурах они являются макроскопически хрупкими. Существуют разные подходы для повышения вязкости разрушения (трещиностойкости) материалов на основе MAX-фаз, включающие армирование металлической фазой или непрерывными волокнами (C, SiC). Другим перспективным подходом является получение ламинированных (многослойных) композитов с повышенной вязкостью разрушения. Многослойная структура ламинированных материалов позволяет послойно контролировать их состав и микроструктуру, обеспечивая возможность формирования функциональных градиентных материалов (ФГМ) с плавным или ступенчатым изменением свойств при переходе от одного слоя к другому. Для получения ФГМ или ламинированных композитов могут быть использованы различные методы, такие как 3D печать, шликерное или плёночное литье, ламинирование, методы спекания порошков и др.
В настоящей работе для получения функциональных материалов на основе МАХ-фаз был предложен новый подход, основанный на использовании высоконаполненных прекерамических бумаг - композиционного материала, состоящего из целлюлозных волокон и порошкового наполнителя, с последующим формированием из них многослойных структур путём послойной укладки и консолидации методом искрового плазменного спекания (ИПС). Такой подход обеспечивает возможность управления составом и микроструктурой материала за счёт послойного изменения состава или доли порошкового наполнителя в прекерамических бумагах. Технология ИПС, рассматриваемая в работе, может обеспечивать высокоскоростное спекание материалов и снижение реакционного взаимодействия между армирующими компонентами (непрерывными волокнами и металлической фазой) и матрицей на основе МАХ-фаз. Таким образом, исследование и разработка перспективных функциональных материалов на основе МАХ-фаз, является актуальной задачей материаловедения.
Степень разработанности темы исследований.
Впервые МАХ-фазы были обнаружены Nowotny и Jeitschko ещё в 1960-х годах. Однако особый интерес к материалам на основе MAX-фаз начал проявляться с 2000 года, когда научный коллектив в Дрексельском университете под руководством Barsoum и El-Raghy синтезировали первые объёмные образцы MAX-фаз методом горячего изостатического прессования. На сегодняшний день синтезировано множество MAX-фаз различных систем и классов как зарубежными, так и российскими научными группами. Так, например, в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, были получены и охарактеризованы MAX- фазы систем Cr-Al-C, V-Al-C, Mn-Al-C и Ti-Si-C. В работах С.Н. Перевислова по синтезу МАХ-фаз была показана возможность получения материалов с высоким содержанием Ti3SiC2 и высокими механическими свойствами из смеси исходных порошков Ti/Si/C, Ti/Si/TiC, Ti/SiC/C и Ti/SiC/TiC путём синтеза методом спекания с последующим горячим прессованием. Значительный вклад в развитие технологий синтеза МАХ-фаз внесли научные коллективы из США, Китая, Японии, Бельгии, Швеции и России: M. Radovic, Y. Zhou, Z. Sun, M. Sokol, P. Eklund, T. Lapauw, P. Persson, Е.А. Левашов, С.Н. Перевислов, В.А. Горшков, Д.Ю. Ковалев,
A. А. Сметкин, А.М. Столин и др. В области получения материалов на основе МАХ-фаз методом искрового плазменного спекания можно выделить ряд отечественных работ авторов П.В. Истомин, А.В. Надуткин, О. Шичалин,
B. Г. Гилёв, Д.В. Гращенков и др.
Исследование коррозионной стойкости материалов на основе МАХ-фаз также является одной из важнейших задач для определения эксплуатационных характеристик конструкционных изделий. В данной области значительный вклад внесли исследователи J. Gonzalez-Julian, Z. Zhang, J. Cormier, Y. Tan, M. Steinbrueck, C. Guo, Н.В. Севостьянов, А.В. Старостина и др. Коллектив ФГУП ВИАМ установил закономерности высокотемпературного окисления MAX-фазы Ti3SiC2, синтезированной методом ИПС, на воздухе при температуре 1200 °С. В ряде работ было показано влияние состава М и А слоя в МАХ-фазах на их коррозионную стойкость на воздухе и в потоке пара. Было также установлено, что диффузия атомов из A-слоя МАХ-фаз и образование их оксидов в ряде случаев может заполнять существующие микротрещины, тем самым обеспечивая их самозалечивание.
Основоположником технологии изготовления прекерамических бумаг является Н. Травицкий из университета Эрлангена-Нюрнберга. В работах коллектива под руководством Н. Травицкого изучены основные этапы производства прекерамических бумаг с различными порошковым наполнителями, включая SiC, AI2O3, S13N4 и МАХ-фазы T13S1C2 и T13AIC2. Также установлены особенности физико-химического взаимодействия органических и неорганических компонентов прекерамических бумаг. Проведены исследования и установлены закономерности спекания прекерамических бумаг на основе МАХ-фазы Ti3SiC2 в вакуумных печах.
В последние годы ведутся разработки композиционных материалов на основе МАХ-фаз (Ti3SiC2, Ti3(Si,Al)C2 и Ti3AlC2), где МАХ-фазы могут выступать как в качестве армирующей добавки, так и в качестве основной матрицы, армированной вискерами или непрерывными волокнами (C, SiC). В направлении получения композиционных материалов на основе МАХ-фаз, армированных короткими и непрерывными волокнами известны лишь работы авторов из Китая, США и Германии: C. Spencer, S. Guo, J. Gonzalez-Julian, L. Zhang, J. Yang, C. Liu. К основным результатам стоит отнести выявленные особенности реакционного взаимодействия волокон SiC с матрицей при спекании методами горячего прессования, а также определении влияния типа и доли волокон на физико-механические свойства композитов.
Объекты исследования. Керамические композиты на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2, полученные методом искрового плазменного спекания с использованием прекерамических бумаг; металл-керамические
ламинированные композиты на основе МАХ-фазы Ti3Al(Si)C2 с ниобиевыми металлическими слоями; керамические матричные композиты на основе МАХ-фаз, армированные непрерывными карбидокремниевыми волокнами.
Предмет исследования. Фазовый состав, микроструктура, физикомеханические свойства, механизмы разрушения, теплофизические свойства, механизмы реакционного взаимодействия при спекании, атомная и электронная структура твёрдорастворных, механизмы коррозии при высокотемпературном окислении на воздухе композитных и композиционных материалов на основе МАХ-фаз.
Цель диссертационной работы: разработка научных основ получения функциональных керамических материалов на основе МАХ-фаз с применением высоконаполненных прекерамических бумаг и установление закономерностей формирования их структуры и свойств при искровом плазменном спекании.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
1. Разработка нового подхода к получению функциональных композитных и композиционных материалов, отличающегося от известных применением в качестве исходного сырья прекерамических бумаг с порошковым наполнителем на основе МАХ-фаз и метода искрового плазменного спекания.
2. Установить особенности искрового плазменного спекания композитных материалов из прекерамических бумаг на основе МАХ-фаз T13S1C2 и TisAl(Si)C2.
3. Установить закономерности изменения структурно-фазового состояния, микроструктуры, физико-механических свойств, а также механизмы разрушения получаемых керамических композитов на основе МАХ-фаз в зависимости от параметров спекания.
4. Установить закономерности формирования структуры и свойств в градиентных по составу и пористости композитах на основе МАХ-фаз, получаемых из прекерамических бумаг с разным составом и долей порошкового наполнителя.
5. Определить возможность получения керамических матричных композитов на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2 путём послойного армирования непрерывными карбидокремниевыми волокнами; установить закономерности реакционного взаимодействия между матрицей и волокнами при искровом плазменном спекании, а также механизмы разрушения армированных композитов.
6. Определить возможность получения металл-керамических ламинированных композитов на основе Nb/МАХ-фаза (Ti3Al(Si)C2) с повышенной вязкостью разрушения из прекерамических бумаг и металлических фольг; установить закономерности реакционного взаимодействия на границах раздела слоёв при искровом плазменном спекании, влияния архитектуры композитов на их физико-механические и теплофизические свойства, а также механизмы разрушения.
7. Установить в рамках разработанной численной модели возможность прогнозирования теплофизических свойств, температурных полей и длительности прогрева металл-керамических композитов при конвективном теплообмене с окружающей средой.
8. Установить закономерности высокотемпературной коррозии композитных материалов на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2, и металл- керамических ламинированных композитов на основе Nb/МАХ-фаза.
9. Провести численные расчёты энергии связи и подвижности элементов в А-слое в зависимости от его состава; установить влияние элементного состава А-слоя на реакционное взаимодействие и частичное разложение МАХ-фаз в процессе искрового плазменного спекания, а также коррозионную стойкость композитов, получаемых из прекерамических бумаг.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые предложен и экспериментально реализован подход к получению градиентных композитных материалов на основе МАХ-фаз, основанный на консолидации слоистых заготовок из прекерамических бумаг методом искрового плазменного спекания. Разработанный подход лёг в основу нового научного направления: создания функциональных градиентных материалов из прекерамических бумаг на основе МАХ-фаз с управляемыми структурой и свойствами. По работе были сформулированы следующие пункты научной новизны:
1. Установлены закономерности изменения микроструктуры и физикомеханических свойств композитных материалов на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2, получаемых из прекерамических бумаг, в зависимости от температуры и давления искрового плазменного спекания, что обеспечивает получение материалов с различной пористостью и фазовым составом.
2. Установлено, что при искровом плазменном спекании прекерамических бумаг происходит частичное разложение МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2 с образованием карбида титана, обусловленное наличием остаточного углерода, образующегося при термическом разложении целлюлозных волокон; частичное разложение МАХ-фаз интенсифицируется с ростом температуры спекания и сопровождается деинтеркаляцией атомов Аслоя, преимущественно алюминия за счёт меньшей энергии связи в сравнении с атомами кремния, что приводит к изменению соотношения Al/Si и увеличению соотношения параметров решетки с/а в ГПУ структуре МАХ-фаз.
3. Установлены закономерности спекания градиентных по составу слоистых композитов на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2 с соотношением Al/Si от 0,25 до 3, характеризующиеся формированием анизотропной микроструктуры с ориентированными перпендикулярно прикладываемому давлению пластинчатыми зёрнами МАХ-фаз, что также приводит к анизотропии механических свойств композитов.
4. Установлено, что снижение доли порошкового наполнителя от 90 до 60 масс. % и соответствующее увеличение доли целлюлозных волокон в прекерамических бумагах приводит к формированию более пористой микроструктуры керамических композитов и значительному разложению МАХ-фаз.
5. Определены механизмы разрушения керамических матричных композитов при изгибе, характеризующиеся комплексным межзёренным и внутризёренным разрушением, сопровождающимся многократным отклонением и разветвлением трещин на границах раздела вторичных фаз, деламинацией, вытаскиванием пластин и деформацией зёрен МАХ-фаз, отклонением распространения трещин на границе слоёв, армированных волокнами, вытягиванием и разрывом волокон SiC.
6. Проведены исследования и предложены механизмы высокотемпературного окисления на воздухе при температуре 1300 °С композитных материалов на основе МАХ-фаз, обусловленные формированием пористого внутреннего слоя TiO2 и SiO2 с внешним слоем TiO2 для МАХ-фазы Ti3SiC2, и плотного внутреннего слоя Al2O3 и внешнего слоя TiO2 и Al2TiO5 в случае композитов на основе МАХ-фазы Ti3AlC2 и Ti3Al(Si)C2.
7. Установлены закономерности реакционного взаимодействия при искровом плазменном спекании ламинированных металл-керамических композитов на основе Nb/Ti3Al(Si)C2, обусловленные формированием гетерофазного реакционного слоя за счёт частичного разложения МАХ-фаз и последующей взаимной диффузии элементов А-слоя и ниобия.
8. На основе первопринципных расчётов установлено влияние соотношения Al/Si на параметры кристаллической решетки, электронную структуру и диффузионную подвижность атомов А-слоя в твёрдорастворной МАХ-фазе Ti3(Al,Si)C2.
9. Разработана математическая модель и проведено численное моделирование температурных полей и времён выхода на стационарный тепловой режим процесса нагрева ламинированных металл-керамических композитов в условиях конвективного теплообмена с окружающей средой.
Теоретическая значимость работы. Результаты, представленные в работе, имеют фундаментальный научный характер и вносят вклад в развитие физики конденсированного состояния, так как включают теоретикоэкспериментальные исследования получения и свойств керамических композитных материалов и гетероструктур на их основе. Проведённые исследования позволили выявить механизмы формирования микроструктуры и свойств функциональных материалов на основе МАХ-фаз, получаемых искровым плазменным спеканием прекерамических бумаг, в зависимости от состава исходных материалов и параметров спекания. Полученные результаты позволили выявить особенности разложения и реакционного взаимодействия МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2, в том числе в присутствии дополнительного углерода от термического разложения целлюлозных волокон. На основе первопринципных расчётов установлено влияние соотношения Al/Si в А-слое твёрдорастворной МАХ-фазы Ti3(Al,Si)C2 на её параметры кристаллической решетки, а также подтверждена преимущественная деинтерколяция атомов алюминия в А-слое, что обуславливает реакционное взаимодействие в керамических матричных композитах и ламинированных металл- керамических композитов на основе МАХ-фаз. Проведенные исследования позволили сформировать научные основы структурного дизайна композитных материалов на основе МАХ-фаз с послойно-задаваемыми свойствами.
Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в:
1. Разработке подхода и методики получения композитных и композиционных материалов на основе МАХ-фаз, основанном на послойном формировании заготовки из прекерамических бумаг с порошковым наполнителем, в том числе с межслойным армированием непрерывными волокнами или металлической фазой, и последующем искровым плазменным спеканием.
2. Определении оптимальных параметров искрового плазменного спекания и состава прекерамических бумаг для получения композитных материалов с высоким содержанием МАХ-фаз, контролируемыми пористостью, микроструктурой и физико-механическими свойствами.
3. Разработке градиентных керамических материалов на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2 с высокими коррозионной стойкостью на воздухе при температуре 1300 °С и физико-механическими характеристиками: пределом прочности на изгиб 485-660 МПа, модулем Юнга 300-325 ГПа и относительной деформацией 0,19-0,21 %.
4. Разработке ламинированных металл-керамических материалов на основе Nb/МАХ-фаза с повышенной трещиностойкостью (более 10 МПа-м1/2) и пределом прочности на изгиб более 350 МПа; определении оптимальной архитектуры металл-керамических композитов, обеспечивающей реализацию хрупко-вязкого механизма разрушения с многократным образованием трещин в керамических слоях и относительной деформацией более 2 %; определении теплофизических свойств композитов Nb/МАХ-фаза и разработке математической модели для прогнозирования температурных полей в условиях конвективного нагрева композитов, а также значений их теплоёмкости и теплопроводности в зависимости от архитектуры.
5. Использовании результатов экспериментальных исследований в учебном процессе бакалавров и магистров, а также подготовке диссертационных работ аспирантов, обучающихся в инженерных школах ТПУ (Приложение 1); формировании научно-технического задела для производства изделий из материалов на основе МАХ-фаз для обеспечения технологического суверенитета РФ.
Работа выполнена при поддержке ряда государственных фондов и программ: Российский научный фонд (проекты 23-19-00109 «Разработка научно-технических основ получения металл-керамических ламинированных композитов Me/MAX из прекерамических бумаг и тугоплавких металлов с управляемой структурой и свойствами» и 19-19-00192 «Разработка научных основ синтеза градиентных керамических материалов на основе MAX-фаз из прекерамической бумаги методом искрового плазменного спекания»), Государственное задание «Наука» (проекты FSWW-2021-0017 «Лаборатория перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем» и 11.3683.2017/ПЧ по теме «Разработка технологии исследования образцов из композиционных материалов методами неразрушающего контроля»), Совет по грантам Президента РФ (проект № МК-1048.2022.4 «Получение новых функциональных металл-керамических ламинированных композитов из прекерамических бумаг»).
Методология диссертационной работы.
Методология состоит в использовании большого комплекса взаимодополняющих экспериментальных методов и создании, на основе полученных экспериментальных результатов, новых представлений ...
Одним из важнейших направлений современной науки и промышленности является разработка и получение мультифункциональных материалов, способных к работе в экстремальных условиях при высоких температурах, механических нагрузках и агрессивной коррозионной среде. Перспективными с данной точки зрения являются материалы на основе термодинамически стабильных, тугоплавких, наноламинатных MAX-фаз, представляемых в общем виде формулой Mn+iAXn, где М - переходный металл, А - элемент IIIA-IVA подгруппы периодической системы, Х - углерод, азот или бор. Сочетая в себе преимущества керамики и металлов, MAX-фазы имеют высокую термическую и коррозионную стойкость, прочность, стойкость к термическому удару, относительно высокую электро- и теплопроводность, легкость в механической и электроэрозионной обработке. Физико-механические свойства МАХ-фаз могут быть повышены за счёт формирования твёрдых растворов путём замещения атомов в М-, А- и Х-слоях, а также создания композитных материалов, упрочненных частицами вторичных фаз, например TiC, Al2O3, SiC и др.
На сегодняшний день, композитные материалы на основе MAX-фаз являются многообещающими кандидатами для применения в энергетических и транспортных отраслях, например в качестве высоконагруженных деталей узлов и агрегатов машин, элементов высокотемпературных пар трения, токоприемников для электротранспорта, нагревательных элементов, армирующих добавок для композиционных материалов, катализаторов и др.
Несмотря на то, что при повышенных температурах и механических нагрузках MAX-фазам присуща пластическая деформация, при комнатных температурах они являются макроскопически хрупкими. Существуют разные подходы для повышения вязкости разрушения (трещиностойкости) материалов на основе MAX-фаз, включающие армирование металлической фазой или непрерывными волокнами (C, SiC). Другим перспективным подходом является получение ламинированных (многослойных) композитов с повышенной вязкостью разрушения. Многослойная структура ламинированных материалов позволяет послойно контролировать их состав и микроструктуру, обеспечивая возможность формирования функциональных градиентных материалов (ФГМ) с плавным или ступенчатым изменением свойств при переходе от одного слоя к другому. Для получения ФГМ или ламинированных композитов могут быть использованы различные методы, такие как 3D печать, шликерное или плёночное литье, ламинирование, методы спекания порошков и др.
В настоящей работе для получения функциональных материалов на основе МАХ-фаз был предложен новый подход, основанный на использовании высоконаполненных прекерамических бумаг - композиционного материала, состоящего из целлюлозных волокон и порошкового наполнителя, с последующим формированием из них многослойных структур путём послойной укладки и консолидации методом искрового плазменного спекания (ИПС). Такой подход обеспечивает возможность управления составом и микроструктурой материала за счёт послойного изменения состава или доли порошкового наполнителя в прекерамических бумагах. Технология ИПС, рассматриваемая в работе, может обеспечивать высокоскоростное спекание материалов и снижение реакционного взаимодействия между армирующими компонентами (непрерывными волокнами и металлической фазой) и матрицей на основе МАХ-фаз. Таким образом, исследование и разработка перспективных функциональных материалов на основе МАХ-фаз, является актуальной задачей материаловедения.
Степень разработанности темы исследований.
Впервые МАХ-фазы были обнаружены Nowotny и Jeitschko ещё в 1960-х годах. Однако особый интерес к материалам на основе MAX-фаз начал проявляться с 2000 года, когда научный коллектив в Дрексельском университете под руководством Barsoum и El-Raghy синтезировали первые объёмные образцы MAX-фаз методом горячего изостатического прессования. На сегодняшний день синтезировано множество MAX-фаз различных систем и классов как зарубежными, так и российскими научными группами. Так, например, в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, были получены и охарактеризованы MAX- фазы систем Cr-Al-C, V-Al-C, Mn-Al-C и Ti-Si-C. В работах С.Н. Перевислова по синтезу МАХ-фаз была показана возможность получения материалов с высоким содержанием Ti3SiC2 и высокими механическими свойствами из смеси исходных порошков Ti/Si/C, Ti/Si/TiC, Ti/SiC/C и Ti/SiC/TiC путём синтеза методом спекания с последующим горячим прессованием. Значительный вклад в развитие технологий синтеза МАХ-фаз внесли научные коллективы из США, Китая, Японии, Бельгии, Швеции и России: M. Radovic, Y. Zhou, Z. Sun, M. Sokol, P. Eklund, T. Lapauw, P. Persson, Е.А. Левашов, С.Н. Перевислов, В.А. Горшков, Д.Ю. Ковалев,
A. А. Сметкин, А.М. Столин и др. В области получения материалов на основе МАХ-фаз методом искрового плазменного спекания можно выделить ряд отечественных работ авторов П.В. Истомин, А.В. Надуткин, О. Шичалин,
B. Г. Гилёв, Д.В. Гращенков и др.
Исследование коррозионной стойкости материалов на основе МАХ-фаз также является одной из важнейших задач для определения эксплуатационных характеристик конструкционных изделий. В данной области значительный вклад внесли исследователи J. Gonzalez-Julian, Z. Zhang, J. Cormier, Y. Tan, M. Steinbrueck, C. Guo, Н.В. Севостьянов, А.В. Старостина и др. Коллектив ФГУП ВИАМ установил закономерности высокотемпературного окисления MAX-фазы Ti3SiC2, синтезированной методом ИПС, на воздухе при температуре 1200 °С. В ряде работ было показано влияние состава М и А слоя в МАХ-фазах на их коррозионную стойкость на воздухе и в потоке пара. Было также установлено, что диффузия атомов из A-слоя МАХ-фаз и образование их оксидов в ряде случаев может заполнять существующие микротрещины, тем самым обеспечивая их самозалечивание.
Основоположником технологии изготовления прекерамических бумаг является Н. Травицкий из университета Эрлангена-Нюрнберга. В работах коллектива под руководством Н. Травицкого изучены основные этапы производства прекерамических бумаг с различными порошковым наполнителями, включая SiC, AI2O3, S13N4 и МАХ-фазы T13S1C2 и T13AIC2. Также установлены особенности физико-химического взаимодействия органических и неорганических компонентов прекерамических бумаг. Проведены исследования и установлены закономерности спекания прекерамических бумаг на основе МАХ-фазы Ti3SiC2 в вакуумных печах.
В последние годы ведутся разработки композиционных материалов на основе МАХ-фаз (Ti3SiC2, Ti3(Si,Al)C2 и Ti3AlC2), где МАХ-фазы могут выступать как в качестве армирующей добавки, так и в качестве основной матрицы, армированной вискерами или непрерывными волокнами (C, SiC). В направлении получения композиционных материалов на основе МАХ-фаз, армированных короткими и непрерывными волокнами известны лишь работы авторов из Китая, США и Германии: C. Spencer, S. Guo, J. Gonzalez-Julian, L. Zhang, J. Yang, C. Liu. К основным результатам стоит отнести выявленные особенности реакционного взаимодействия волокон SiC с матрицей при спекании методами горячего прессования, а также определении влияния типа и доли волокон на физико-механические свойства композитов.
Объекты исследования. Керамические композиты на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2, полученные методом искрового плазменного спекания с использованием прекерамических бумаг; металл-керамические
ламинированные композиты на основе МАХ-фазы Ti3Al(Si)C2 с ниобиевыми металлическими слоями; керамические матричные композиты на основе МАХ-фаз, армированные непрерывными карбидокремниевыми волокнами.
Предмет исследования. Фазовый состав, микроструктура, физикомеханические свойства, механизмы разрушения, теплофизические свойства, механизмы реакционного взаимодействия при спекании, атомная и электронная структура твёрдорастворных, механизмы коррозии при высокотемпературном окислении на воздухе композитных и композиционных материалов на основе МАХ-фаз.
Цель диссертационной работы: разработка научных основ получения функциональных керамических материалов на основе МАХ-фаз с применением высоконаполненных прекерамических бумаг и установление закономерностей формирования их структуры и свойств при искровом плазменном спекании.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
1. Разработка нового подхода к получению функциональных композитных и композиционных материалов, отличающегося от известных применением в качестве исходного сырья прекерамических бумаг с порошковым наполнителем на основе МАХ-фаз и метода искрового плазменного спекания.
2. Установить особенности искрового плазменного спекания композитных материалов из прекерамических бумаг на основе МАХ-фаз T13S1C2 и TisAl(Si)C2.
3. Установить закономерности изменения структурно-фазового состояния, микроструктуры, физико-механических свойств, а также механизмы разрушения получаемых керамических композитов на основе МАХ-фаз в зависимости от параметров спекания.
4. Установить закономерности формирования структуры и свойств в градиентных по составу и пористости композитах на основе МАХ-фаз, получаемых из прекерамических бумаг с разным составом и долей порошкового наполнителя.
5. Определить возможность получения керамических матричных композитов на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2 путём послойного армирования непрерывными карбидокремниевыми волокнами; установить закономерности реакционного взаимодействия между матрицей и волокнами при искровом плазменном спекании, а также механизмы разрушения армированных композитов.
6. Определить возможность получения металл-керамических ламинированных композитов на основе Nb/МАХ-фаза (Ti3Al(Si)C2) с повышенной вязкостью разрушения из прекерамических бумаг и металлических фольг; установить закономерности реакционного взаимодействия на границах раздела слоёв при искровом плазменном спекании, влияния архитектуры композитов на их физико-механические и теплофизические свойства, а также механизмы разрушения.
7. Установить в рамках разработанной численной модели возможность прогнозирования теплофизических свойств, температурных полей и длительности прогрева металл-керамических композитов при конвективном теплообмене с окружающей средой.
8. Установить закономерности высокотемпературной коррозии композитных материалов на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2, и металл- керамических ламинированных композитов на основе Nb/МАХ-фаза.
9. Провести численные расчёты энергии связи и подвижности элементов в А-слое в зависимости от его состава; установить влияние элементного состава А-слоя на реакционное взаимодействие и частичное разложение МАХ-фаз в процессе искрового плазменного спекания, а также коррозионную стойкость композитов, получаемых из прекерамических бумаг.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые предложен и экспериментально реализован подход к получению градиентных композитных материалов на основе МАХ-фаз, основанный на консолидации слоистых заготовок из прекерамических бумаг методом искрового плазменного спекания. Разработанный подход лёг в основу нового научного направления: создания функциональных градиентных материалов из прекерамических бумаг на основе МАХ-фаз с управляемыми структурой и свойствами. По работе были сформулированы следующие пункты научной новизны:
1. Установлены закономерности изменения микроструктуры и физикомеханических свойств композитных материалов на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2, получаемых из прекерамических бумаг, в зависимости от температуры и давления искрового плазменного спекания, что обеспечивает получение материалов с различной пористостью и фазовым составом.
2. Установлено, что при искровом плазменном спекании прекерамических бумаг происходит частичное разложение МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2 с образованием карбида титана, обусловленное наличием остаточного углерода, образующегося при термическом разложении целлюлозных волокон; частичное разложение МАХ-фаз интенсифицируется с ростом температуры спекания и сопровождается деинтеркаляцией атомов Аслоя, преимущественно алюминия за счёт меньшей энергии связи в сравнении с атомами кремния, что приводит к изменению соотношения Al/Si и увеличению соотношения параметров решетки с/а в ГПУ структуре МАХ-фаз.
3. Установлены закономерности спекания градиентных по составу слоистых композитов на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2 с соотношением Al/Si от 0,25 до 3, характеризующиеся формированием анизотропной микроструктуры с ориентированными перпендикулярно прикладываемому давлению пластинчатыми зёрнами МАХ-фаз, что также приводит к анизотропии механических свойств композитов.
4. Установлено, что снижение доли порошкового наполнителя от 90 до 60 масс. % и соответствующее увеличение доли целлюлозных волокон в прекерамических бумагах приводит к формированию более пористой микроструктуры керамических композитов и значительному разложению МАХ-фаз.
5. Определены механизмы разрушения керамических матричных композитов при изгибе, характеризующиеся комплексным межзёренным и внутризёренным разрушением, сопровождающимся многократным отклонением и разветвлением трещин на границах раздела вторичных фаз, деламинацией, вытаскиванием пластин и деформацией зёрен МАХ-фаз, отклонением распространения трещин на границе слоёв, армированных волокнами, вытягиванием и разрывом волокон SiC.
6. Проведены исследования и предложены механизмы высокотемпературного окисления на воздухе при температуре 1300 °С композитных материалов на основе МАХ-фаз, обусловленные формированием пористого внутреннего слоя TiO2 и SiO2 с внешним слоем TiO2 для МАХ-фазы Ti3SiC2, и плотного внутреннего слоя Al2O3 и внешнего слоя TiO2 и Al2TiO5 в случае композитов на основе МАХ-фазы Ti3AlC2 и Ti3Al(Si)C2.
7. Установлены закономерности реакционного взаимодействия при искровом плазменном спекании ламинированных металл-керамических композитов на основе Nb/Ti3Al(Si)C2, обусловленные формированием гетерофазного реакционного слоя за счёт частичного разложения МАХ-фаз и последующей взаимной диффузии элементов А-слоя и ниобия.
8. На основе первопринципных расчётов установлено влияние соотношения Al/Si на параметры кристаллической решетки, электронную структуру и диффузионную подвижность атомов А-слоя в твёрдорастворной МАХ-фазе Ti3(Al,Si)C2.
9. Разработана математическая модель и проведено численное моделирование температурных полей и времён выхода на стационарный тепловой режим процесса нагрева ламинированных металл-керамических композитов в условиях конвективного теплообмена с окружающей средой.
Теоретическая значимость работы. Результаты, представленные в работе, имеют фундаментальный научный характер и вносят вклад в развитие физики конденсированного состояния, так как включают теоретикоэкспериментальные исследования получения и свойств керамических композитных материалов и гетероструктур на их основе. Проведённые исследования позволили выявить механизмы формирования микроструктуры и свойств функциональных материалов на основе МАХ-фаз, получаемых искровым плазменным спеканием прекерамических бумаг, в зависимости от состава исходных материалов и параметров спекания. Полученные результаты позволили выявить особенности разложения и реакционного взаимодействия МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2, в том числе в присутствии дополнительного углерода от термического разложения целлюлозных волокон. На основе первопринципных расчётов установлено влияние соотношения Al/Si в А-слое твёрдорастворной МАХ-фазы Ti3(Al,Si)C2 на её параметры кристаллической решетки, а также подтверждена преимущественная деинтерколяция атомов алюминия в А-слое, что обуславливает реакционное взаимодействие в керамических матричных композитах и ламинированных металл- керамических композитов на основе МАХ-фаз. Проведенные исследования позволили сформировать научные основы структурного дизайна композитных материалов на основе МАХ-фаз с послойно-задаваемыми свойствами.
Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в:
1. Разработке подхода и методики получения композитных и композиционных материалов на основе МАХ-фаз, основанном на послойном формировании заготовки из прекерамических бумаг с порошковым наполнителем, в том числе с межслойным армированием непрерывными волокнами или металлической фазой, и последующем искровым плазменным спеканием.
2. Определении оптимальных параметров искрового плазменного спекания и состава прекерамических бумаг для получения композитных материалов с высоким содержанием МАХ-фаз, контролируемыми пористостью, микроструктурой и физико-механическими свойствами.
3. Разработке градиентных керамических материалов на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2 с высокими коррозионной стойкостью на воздухе при температуре 1300 °С и физико-механическими характеристиками: пределом прочности на изгиб 485-660 МПа, модулем Юнга 300-325 ГПа и относительной деформацией 0,19-0,21 %.
4. Разработке ламинированных металл-керамических материалов на основе Nb/МАХ-фаза с повышенной трещиностойкостью (более 10 МПа-м1/2) и пределом прочности на изгиб более 350 МПа; определении оптимальной архитектуры металл-керамических композитов, обеспечивающей реализацию хрупко-вязкого механизма разрушения с многократным образованием трещин в керамических слоях и относительной деформацией более 2 %; определении теплофизических свойств композитов Nb/МАХ-фаза и разработке математической модели для прогнозирования температурных полей в условиях конвективного нагрева композитов, а также значений их теплоёмкости и теплопроводности в зависимости от архитектуры.
5. Использовании результатов экспериментальных исследований в учебном процессе бакалавров и магистров, а также подготовке диссертационных работ аспирантов, обучающихся в инженерных школах ТПУ (Приложение 1); формировании научно-технического задела для производства изделий из материалов на основе МАХ-фаз для обеспечения технологического суверенитета РФ.
Работа выполнена при поддержке ряда государственных фондов и программ: Российский научный фонд (проекты 23-19-00109 «Разработка научно-технических основ получения металл-керамических ламинированных композитов Me/MAX из прекерамических бумаг и тугоплавких металлов с управляемой структурой и свойствами» и 19-19-00192 «Разработка научных основ синтеза градиентных керамических материалов на основе MAX-фаз из прекерамической бумаги методом искрового плазменного спекания»), Государственное задание «Наука» (проекты FSWW-2021-0017 «Лаборатория перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем» и 11.3683.2017/ПЧ по теме «Разработка технологии исследования образцов из композиционных материалов методами неразрушающего контроля»), Совет по грантам Президента РФ (проект № МК-1048.2022.4 «Получение новых функциональных металл-керамических ламинированных композитов из прекерамических бумаг»).
Методология диссертационной работы.
Методология состоит в использовании большого комплекса взаимодополняющих экспериментальных методов и создании, на основе полученных экспериментальных результатов, новых представлений ...
✅ Заключение
В соответствии с целью и задачами настоящей работы был проведён комплекс теоретических и экспериментальных работ, позволивший создать научные основы формирования функциональных материалов на основе МАХ- фаз при искровом плазменном спекании высоконаполненных прекерамических бумаг. Экспериментально показано, что новый подход, позволяет получать однородные и градиентные по составу и пористости материалы на основе МАХ-фаз, ламинированные металл-керамические композиты с повышенной вязкостью разрушения, а также высокопрочные керамические матричные композиты, армированные непрерывными карбидокремниевыми волокнами.
Проведённые исследования позволили сформировать новые подходы к структурному дизайну композитных материалов на основе МАХ-фаз с послойно-задаваемыми свойствами. Выявлены механизмы эволюции микроструктуры и свойств функциональных материалов на основе МАХ-фаз в зависимости от условий спекания и состава исходных прекерамических бумаг. Определены оптимальные параметры спекания для получения композитных материалов с высоким содержанием МАХ-фаз, контролируемыми фазовым составом, пористостью и микроструктурой, определяющими их физико-механические свойства. Результаты моделирования из первых принципов и экспериментальных исследований позволили выявить особенности и механизмы термического разложения и реакционного взаимодействия МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2 в присутствии углерода от целлюлозных волокон, карбидокремниевых волокон и промежуточных слоёв ниобия. Определены механизмы разрушения и высокотемпературной коррозии на воздухе полученных композитных материалов на основе МАХ-фаз. Разработана и подтверждена математическая модель для прогнозирования температурных полей в условиях конвективного нагрева ламинированных металл-керамических композитов, а также значений теплофизических свойств в зависимости от их архитектуры.
Таким образом, в диссертационной работе впервые предложен и экспериментально реализован подход к получению градиентных композитных материалов на основе МАХ-фаз, основанный на консолидации слоистых заготовок из прекерамических бумаг методом искрового плазменного спекания. Разработанный подход лег в основу нового научного направления: создания функциональных градиентных материалов из прекерамических бумаг на основе МАХ-фаз с управляемыми структурой и свойствами.
Проведённые исследования позволили сформировать новые подходы к структурному дизайну композитных материалов на основе МАХ-фаз с послойно-задаваемыми свойствами. Выявлены механизмы эволюции микроструктуры и свойств функциональных материалов на основе МАХ-фаз в зависимости от условий спекания и состава исходных прекерамических бумаг. Определены оптимальные параметры спекания для получения композитных материалов с высоким содержанием МАХ-фаз, контролируемыми фазовым составом, пористостью и микроструктурой, определяющими их физико-механические свойства. Результаты моделирования из первых принципов и экспериментальных исследований позволили выявить особенности и механизмы термического разложения и реакционного взаимодействия МАХ-фаз Ti3SiC2 и Ti3Al(Si)C2 в присутствии углерода от целлюлозных волокон, карбидокремниевых волокон и промежуточных слоёв ниобия. Определены механизмы разрушения и высокотемпературной коррозии на воздухе полученных композитных материалов на основе МАХ-фаз. Разработана и подтверждена математическая модель для прогнозирования температурных полей в условиях конвективного нагрева ламинированных металл-керамических композитов, а также значений теплофизических свойств в зависимости от их архитектуры.
Таким образом, в диссертационной работе впервые предложен и экспериментально реализован подход к получению градиентных композитных материалов на основе МАХ-фаз, основанный на консолидации слоистых заготовок из прекерамических бумаг методом искрового плазменного спекания. Разработанный подход лег в основу нового научного направления: создания функциональных градиентных материалов из прекерамических бумаг на основе МАХ-фаз с управляемыми структурой и свойствами.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.