Помощь студентам в учебе
Структура и механические свойства градиентных материалов на основе MAX-фаз, полученных методом искрового плазменного спекания прекерамических бумаг
|
Реферат 10
Определения, обозначения, сокращения, нормативные ссылки 11
Введение 15
1 Обзор литературы 17
1.1 MAX-фазы 17
1.2 Свойства композитов на основе MAX-фаз 19
1.2.1 Физико-механические свойства материалов на основе MAX-фаз 19
1.2.2 Коррозионная стойкость титансодержащих MAX-фаз 28
1.3 Получение композитов на основе MAX-фаз 32
1.4 Градиентные материалы на основе MAX-фаз 49
1.4.1 Ламинированные композиты на основе MAX-фаз 49
1.4.2 Композиты на основе MAX-фаз с градиентом пористости 57
2 Экспериментальная часть 59
2.1 Исходное сырье 59
2.2 Спекание исходного сырья 62
2.3 Механическая обработка 62
2.4 Рентгеноструктурный анализ 63
2.5 Механические испытания на изгиб 64
2.6 Измерение твердости 65
3 Результаты проведённых исследований 67
3.1 Композиты с градиентом пористости 67
3.1.1 Рентгеноструктурный анализ 67
3.1.2 Сканирующая электронная микроскопия 68
3.1.3 Механические свойства 68
3.2 Ламинированные композиты 69
3.2.1 Рентгеноструктурный анализ 69
3.2.2 Сканирующая электронная микроскопия 71
3.2.3 Механические свойства 72
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 75
4.1 Предпроектный анализ 76
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 76
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 76
4.1.3 SWOT-анализ 78
4.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 80
4.1.5 Методы коммерциализации результатов научно-технического исследования 83
4.2 Инициация проекта 83
4.3 Планирование управления научно-техническим проектом 85
4.3.1 Иерархическая структура работ проекта 86
4.3.2 План проекта 87
4.4 Бюджет научного исследования 89
4.5 Операционные затраты 96
5.6.1 Организационная структура проекта 96
4.6.2 План управления коммуникациями проекта 97
4.6.3 Реестр рисков проекта 97
4.7 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности 98
4.7.1 Оценка абсолютной эффективности исследования 98
4.7.2 Оценка сравнительной эффективности исследования 104
5 Социальная ответственность 108
5.1 Производственная безопасность 108
5.1.1 Отклонение показателей микроклимата в помещении 108
5.1.2 Превышение уровней шума 110
5.1.3 Повышенный уровень электромагнитных излучений 111
5.1.4 Поражение электрическим током 112
5.1.5 Недостаточная освещенность рабочей зоны 113
5.1.6 Пожарная опасность 117
5.2 Экологическая безопасность 119
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 121
5.4 Перечень нормативно-технической документации 122
Заключение 123
Список публикаций студента 125
Список использованных источников 127
Приложение А 135
1 MAX-phases 136
2 Properties of composites based on MAX-phases 138
2.1 Physical and mechanical properties of materials based on MAX-phases 138
2.2 Corrosion resistance of titanium-containing MAX phases 146
3 Obtaining composites based on MAX phases 149
List of references 162
Определения, обозначения, сокращения, нормативные ссылки 11
Введение 15
1 Обзор литературы 17
1.1 MAX-фазы 17
1.2 Свойства композитов на основе MAX-фаз 19
1.2.1 Физико-механические свойства материалов на основе MAX-фаз 19
1.2.2 Коррозионная стойкость титансодержащих MAX-фаз 28
1.3 Получение композитов на основе MAX-фаз 32
1.4 Градиентные материалы на основе MAX-фаз 49
1.4.1 Ламинированные композиты на основе MAX-фаз 49
1.4.2 Композиты на основе MAX-фаз с градиентом пористости 57
2 Экспериментальная часть 59
2.1 Исходное сырье 59
2.2 Спекание исходного сырья 62
2.3 Механическая обработка 62
2.4 Рентгеноструктурный анализ 63
2.5 Механические испытания на изгиб 64
2.6 Измерение твердости 65
3 Результаты проведённых исследований 67
3.1 Композиты с градиентом пористости 67
3.1.1 Рентгеноструктурный анализ 67
3.1.2 Сканирующая электронная микроскопия 68
3.1.3 Механические свойства 68
3.2 Ламинированные композиты 69
3.2.1 Рентгеноструктурный анализ 69
3.2.2 Сканирующая электронная микроскопия 71
3.2.3 Механические свойства 72
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 75
4.1 Предпроектный анализ 76
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 76
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 76
4.1.3 SWOT-анализ 78
4.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 80
4.1.5 Методы коммерциализации результатов научно-технического исследования 83
4.2 Инициация проекта 83
4.3 Планирование управления научно-техническим проектом 85
4.3.1 Иерархическая структура работ проекта 86
4.3.2 План проекта 87
4.4 Бюджет научного исследования 89
4.5 Операционные затраты 96
5.6.1 Организационная структура проекта 96
4.6.2 План управления коммуникациями проекта 97
4.6.3 Реестр рисков проекта 97
4.7 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности 98
4.7.1 Оценка абсолютной эффективности исследования 98
4.7.2 Оценка сравнительной эффективности исследования 104
5 Социальная ответственность 108
5.1 Производственная безопасность 108
5.1.1 Отклонение показателей микроклимата в помещении 108
5.1.2 Превышение уровней шума 110
5.1.3 Повышенный уровень электромагнитных излучений 111
5.1.4 Поражение электрическим током 112
5.1.5 Недостаточная освещенность рабочей зоны 113
5.1.6 Пожарная опасность 117
5.2 Экологическая безопасность 119
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 121
5.4 Перечень нормативно-технической документации 122
Заключение 123
Список публикаций студента 125
Список использованных источников 127
Приложение А 135
1 MAX-phases 136
2 Properties of composites based on MAX-phases 138
2.1 Physical and mechanical properties of materials based on MAX-phases 138
2.2 Corrosion resistance of titanium-containing MAX phases 146
3 Obtaining composites based on MAX phases 149
List of references 162
MAX-фазы представляют собой семейство тройных слоистых соединений, соответствующих условной формуле: Mn+iAXn (n=1,2,3...), где M - переходный металл; A - металл IIIA-IVA-группы; X - углерод, азот или бор. Данные соединения обладают уникальным сочетанием свойств, характерных как для металлов, так и для керамики: низкая плотность, высокая тепло- и электропроводность; высокая прочность; коррозионная стойкость в агрессивных средах; хорошая механическая обрабатываемость; высокая температура плавления и химическая стабильность при температурах выше 1000С [1]. Наиболее изучены MAX-фазы систем Ti-Si-C и Ti-Al-C, свойства которых позволяют рассматривать их в качестве перспективных материалов для аэрокосмической, транспортной и энергетической отраслей. Так, например, MAX-фаза TisSiCi демонстрирует высокую радиационную стойкость [2], в то время как MAX-фазы на основе Al (TisAlCi, TiiAlC и др.) демонстрируют повышенную коррозионную стойкость в воздушной или паровой средах при высоких температурах [3].
Для повышения физико-механических свойств и функционализации материалов на основе MAX-фаз могут создаваться функционально¬градиентные материалы (ФГМ) на их основе [5]. ФГМ являются мультифункциональными материалами, в которых путем варьирования состава и/или микроструктуры достигаются необходимые свойства. Для получения ФГМ применяются различные методы, такие как порошковая металлургия, методы центробежного/ленточного литья, ламинирование, искровое плазменное спекание и т.д.
В данной работе представлено два новых подхода для формирования ФГМ на основе MAX-фаз Ti3AlC2и Ti3SiC2. Первый подход основан на создании функциональных материалов с градиентом пористости методом искрового плазменного спекания прекерамических бумаг с различной долей порошкового наполнителя. ФГМ с градиентом пористости могут быть изготовлены для широкого спектра применений в качестве различного рода катализаторов, теплообменников, фильтрующих элементов и т.д. Второй подход заключается в создании металлокерамических ламинированных композитов, в которых повышение механических характеристик достигается с помощью армирования пластичными тугоплавкими металлическими слоями
Для получения таких композитов был предложен подход, основанный на применении прекерамических бумаг с порошковым наполнителем Ti3Al(Si)C2и металлических фольг из пластичного тугоплавкого металла (Nb). Применение прекерамических бумаг позволяет регулировать состав каждого слоя, легко задавать форму листов и обеспечивать равномерную укладку слоев материала
На сегодняшний день в литературе наблюдается лишь несколько работ по получению ФГМ на основе МАХ-фаз. Поэтому целью данной работы является установление закономерностей формирования структуры и изменения механических свойств функциональных градиентных материалов на основе MAX-фаз Ti3Al(Si)C2и Ti3SiC2, полученных методом искрового плазменного спекания прекерамических бумаг
Задачи:
- проведение аналитического обзора научно-технических источников по тематике функциональных градиентных материалов на основе MAX-фаз Ti3Al(Si)C2 и Ti3SiC2;
- разработка методики получения композитов с градиентом пористости из прекерамических бумаг с различной долей порошкового наполнителя;
- разработка методики получения ламинированных композитов из прекерамических бумаг на основе МАХ-фаз и металлических фольг из ниобия;
- анализ микроструктуры и фазового состава полученных композитов;
- анализ механических свойств полученных композитов.
Для повышения физико-механических свойств и функционализации материалов на основе MAX-фаз могут создаваться функционально¬градиентные материалы (ФГМ) на их основе [5]. ФГМ являются мультифункциональными материалами, в которых путем варьирования состава и/или микроструктуры достигаются необходимые свойства. Для получения ФГМ применяются различные методы, такие как порошковая металлургия, методы центробежного/ленточного литья, ламинирование, искровое плазменное спекание и т.д.
В данной работе представлено два новых подхода для формирования ФГМ на основе MAX-фаз Ti3AlC2и Ti3SiC2. Первый подход основан на создании функциональных материалов с градиентом пористости методом искрового плазменного спекания прекерамических бумаг с различной долей порошкового наполнителя. ФГМ с градиентом пористости могут быть изготовлены для широкого спектра применений в качестве различного рода катализаторов, теплообменников, фильтрующих элементов и т.д. Второй подход заключается в создании металлокерамических ламинированных композитов, в которых повышение механических характеристик достигается с помощью армирования пластичными тугоплавкими металлическими слоями
Для получения таких композитов был предложен подход, основанный на применении прекерамических бумаг с порошковым наполнителем Ti3Al(Si)C2и металлических фольг из пластичного тугоплавкого металла (Nb). Применение прекерамических бумаг позволяет регулировать состав каждого слоя, легко задавать форму листов и обеспечивать равномерную укладку слоев материала
На сегодняшний день в литературе наблюдается лишь несколько работ по получению ФГМ на основе МАХ-фаз. Поэтому целью данной работы является установление закономерностей формирования структуры и изменения механических свойств функциональных градиентных материалов на основе MAX-фаз Ti3Al(Si)C2и Ti3SiC2, полученных методом искрового плазменного спекания прекерамических бумаг
Задачи:
- проведение аналитического обзора научно-технических источников по тематике функциональных градиентных материалов на основе MAX-фаз Ti3Al(Si)C2 и Ti3SiC2;
- разработка методики получения композитов с градиентом пористости из прекерамических бумаг с различной долей порошкового наполнителя;
- разработка методики получения ламинированных композитов из прекерамических бумаг на основе МАХ-фаз и металлических фольг из ниобия;
- анализ микроструктуры и фазового состава полученных композитов;
- анализ механических свойств полученных композитов.
В рамках выполнения магистерской диссертационной работы проведен аналитический обзор научно-технической литературы по заданной тематике, на основе которого рассмотрены физико-механические и коррозионные свойства композитов на основе MAX-фаз, методы получения композитов, а также способы повышения механических характеристик и функционализации данных материалов путем формирования функциональных градиентных материалов на их основе.
Выбранный на основе результатов обзора метод искрового плазменного спекания изучен и апробирован для создания ФГМ на основе MAX-фаз TisAl(Si)C2 и T13S1C2. Рассмотрено два подхода формирования ламинированных ФГМ. Первый подход основан на создании композитов с градиентом пористости методом искрового плазменного спекания прекерамических бумаг с различной долей порошкового наполнителя. Установлено, что ИПС прекерамических бумаг на основе Ti3SiC2с варьируемой концентрацией порошкового наполнителя (70 и 90 масс. %) при температуре 1050 °С, давлении 10 МПа в течение 5 мин позволяет получать композиты с градиентом пористости, пористость в которых увеличивается, а доля МАХ-фазы снижается, при уменьшении концентрации порошкового наполнителя. Второй подход заключался в создании металлокерамических ламинированных композитов на основе MAX-фаз, повышение механических характеристик которых достигалось с помощью армирования пластичными тугоплавкими металлическими слоями Nb. Установлено, что искровое плазменное спекание прекерамических бумаг на основе Ti3Al(Si)C2и металлических фольг из ниобия при температуре 1250 °С, давлении 50 МПа в течение 5 мин приводит к формированию ламинированных композитов на основе Nb/Ti3Al(Si)C2-TiC, характеризующихся наличием диффузионного слоя на основе Nb-Al толщиной 15 мкм и хрупко-пластичным деформационным поведением.
В рамках проведения оценки коммерческого потенциала и перспективности данного научно-исследовательского проекта определен размер необходимого бюджета, который включает в себя материальные затраты, затраты на специальное оборудование, основную и дополнительную заработные платы исполнителей, страховые отчисления и накладные расходы. Проанализированы конкурентные технические решения с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения, на основании чего проведена оценка сравнительной эффективности научной разработки.
В ходе оценки рабочего места на предмет наличия вредных факторов производственной среды продемонстрирована организованность рабочего пространства и достаточный уровень безопасности с точки зрения норм и правил.
Выбранный на основе результатов обзора метод искрового плазменного спекания изучен и апробирован для создания ФГМ на основе MAX-фаз TisAl(Si)C2 и T13S1C2. Рассмотрено два подхода формирования ламинированных ФГМ. Первый подход основан на создании композитов с градиентом пористости методом искрового плазменного спекания прекерамических бумаг с различной долей порошкового наполнителя. Установлено, что ИПС прекерамических бумаг на основе Ti3SiC2с варьируемой концентрацией порошкового наполнителя (70 и 90 масс. %) при температуре 1050 °С, давлении 10 МПа в течение 5 мин позволяет получать композиты с градиентом пористости, пористость в которых увеличивается, а доля МАХ-фазы снижается, при уменьшении концентрации порошкового наполнителя. Второй подход заключался в создании металлокерамических ламинированных композитов на основе MAX-фаз, повышение механических характеристик которых достигалось с помощью армирования пластичными тугоплавкими металлическими слоями Nb. Установлено, что искровое плазменное спекание прекерамических бумаг на основе Ti3Al(Si)C2и металлических фольг из ниобия при температуре 1250 °С, давлении 50 МПа в течение 5 мин приводит к формированию ламинированных композитов на основе Nb/Ti3Al(Si)C2-TiC, характеризующихся наличием диффузионного слоя на основе Nb-Al толщиной 15 мкм и хрупко-пластичным деформационным поведением.
В рамках проведения оценки коммерческого потенциала и перспективности данного научно-исследовательского проекта определен размер необходимого бюджета, который включает в себя материальные затраты, затраты на специальное оборудование, основную и дополнительную заработные платы исполнителей, страховые отчисления и накладные расходы. Проанализированы конкурентные технические решения с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения, на основании чего проведена оценка сравнительной эффективности научной разработки.
В ходе оценки рабочего места на предмет наличия вредных факторов производственной среды продемонстрирована организованность рабочего пространства и достаточный уровень безопасности с точки зрения норм и правил.