Введение 10
1 Литературный обзор 12
1.1 Переходные металлы 12
1.1.1 Свойства переходных металлов 12
1.1.2 Физические свойства 14
1.2 Многокомпонентные сплавы переходных металлов 14
1.2.1 Карбиды переходных металлов 15
1.2.2 Нитриды переходных металлов 19
1.3 Керамика на основе диоксида циркония 20
1.4 Материалы на основе ZrN и их свойства 28
1.5 Механические свойства ZrN ZrC 29
1.6 Образование фазы Zrx (O - N - C) под действием карбонитрирование циркона при высоких температурах
1.7 Керамика на основе Ti(C, N) 32
1.8 Технология получения высокоэнтропийной керамики 35
1.8.1 Механическое измельчение порошков и механосинтез 35
1.8.2 Формование порошков 38
1.8.3 Спекание 40
1.8.4 Горячее прессование 42
1.9 Перспективы развития высокоэнтропийных 45
керамических систем
2 Экспериментальная часть 47
2.1 Исходные материалы, оборудование и методики 47
исследования
2.1.1 Определение насыпной плотности порошка 48
2.1.2 Определение гранулометрического состава порошков 49
методом секущих
2.1.3 Определение гранулометрического состава порошков 55
ситовым анализом
2.1.4 Механоактивация и измельчение порошка 57
2.1.5 Формование порошка 58
2.1.6 Вакуумное спекание 61
2.1.7 Изготовление шлифов 63
2.1.8 Индентирование и скретч тест 64
2.2 Результаты экспериментов и их обсуждение 66
3 финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение
4 Социальная ответственность 95
Заключение 112
Список литературы 113
Приложение 117
Замена высокоэнтропийными керамическими материалами металлов и сплавов указывает на то, что увеличение объёма использования керамики в машиностроении, станкостроении, атомной энергетике, ракетостроении обеспечит качественный скачок в развитии отрасли, в том числе за счёт увеличения допустимой температуры эксплуатации и, как следствие, мощности силовых агрегатов. Это объясняется присущим керамическим материалам уникальным сочетанием свойств, выгодно отличающим их от металлов - высокая температура плавления, малый удельный вес, высокая прочность, жёсткость.
Применение многокомпонентных керамик в ракетостроении обеспечит качественный скачок в развитии отрасли, в том числе за счёт увеличения допустимой температуры эксплуатации. Однако, несмотря на хорошие перспективы использования керамик в технике, актуальным остаётся вопрос о присущей им высокой хрупкости. Низкая устойчивость к дефектам, неконтролируемое распространение трещин являются основными причинами ограничения использования керамик в технике.
Решение проблемы низкой живучести и надёжности керамических конструкций находится одновременно и в плоскости создания новых материалов с превосходным комплексом свойств по сравнению с существующими керамиками, и в плоскости организации структурно-фазового состояния, обеспечивающего эффективное сопротивление зарождению и распространению трещин.
С точки зрения создания новых керамических материалов одним из перспективных направлений является энтропийная стабилизация многокомпонентных систем. Минимизация свободной энергии Гиббса обеспечивает термодинамическую стабильность высокоэнтропийных систем при высоких температурах и аномальные физические характеристики. Развитие подхода энтропийной стабилизации многокомпонентных твёрдых растворов оксидов, нитридов, карбидов металлов позволит получить керамические материалы с новыми эксплуатационными характеристиками.
1. В ходе выполнения работы были исследованы физические и технологические свойства порошков оксида, карбида и нитрида циркония: грануломерический состав, форма и размер частиц, прессуемость и формуемость.
2. Вакуумное спекание не дает высоких физико-механических свойств. Видно, что плотность после спекания уменьшилась, либо осталась неизменной практически у всех исследованных порошков. Этому есть два объяснения. Во первых, для таких тугоплавких соединений, которыми являются оксиды, карбиды и нитриды циркония, температура спекания 1500оС не обеспечивает диффуузионный массоперенос и, следовательно, усадку. Во-вторых, разуплотнение, возможно произошло из-за фазовых переходов и химического взаимодействия компонентов.
3. В ходе выполнения работы разработана технология получения многокомпонентной керамики на основе оксикарбонитридов переходных металлов, включающей подготовку порошковых смесей ZrC, ZrO2, TiC, ZrN заданных составов в планетарной мельнице и последующее горячее прессование в инертной атмосфере.
Полученная керамика состава 33% ZrO2- 33% ZrN - 34% TiC имела следующие физико-механические свойства: EIT=326159 МПа, HIT=12683 МПа.
Керамика состава 33% ZrO2- 33% ZrC - 34% ZrN имела модуль Юнга EIT=304452 МПа и нанотвердость HIT=10769 МПа.
Керамика состава 50% ZrO2- 50% ZrN имела модуль Юнга EIT=418902 МПа и нанотвердость HIT=21975 МПа.
Исследования микрошлифов горячепрессованных образцов показали, что спеченные оксикарбонитриды обладают выраженной гетерофазной структурой, соответствующей многокомпонентным материалам.
Представлены результаты проектирования и создания конкурентоспособных разработок, технологий, отвечающих современным требованиям в области, рассмотрены вопросы ресурсоэффективности, ресурсосбережения и социальной ответственности.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 19-03-0016019 "Закономерности и механизмы синтеза керамических материалов нового поколения на основе тетрарных оксикарбонитридных фаз циркония и титана с использованием активирующего воздействия СВЧ-излучения".
