Научная актуальность проекта.
В наиболее распространенных традиционных методах переработки
органических и неорганических материалов в изделия используются
различные катализаторы и растворители и длительные технологические
операции нагрева для перевода материала в вязко-текучее или
высокоэластическое состояния и его последующего охлаждения. При этом
возникает ряд принципиальных трудностей, связанных с неоднородным
пространственно-временным распределением температуры, а длительность
этих операций лимитирует общую производительность перерабатывающего
оборудования. Поэтому так важно создание новых альтернативных
технологий по производству полимерных и керамических изделий с
традиционными применениями и не менее важно создание новых технологий
изделий, которые невозможно изготовить традиционными способами
переработки материалов.
В этой связи весьма важным являются разработки экологически чистых и
ресурсосберегающих технологических процессов твердофазной технологии,
которые лишены вышеперечисленных недостатков. По существу, речь идет о
разработке новых твердофазных химических технологий по получению
разнообразных металлических и неметаллических сплавов, сополимеров
несовместимых мономеров, полимерных и керамических изделий.
Практические приложения этих технологических процессов связанны также с
получением функционально-градиентных материалов, сплавов, керамических
и композиционных материалов, особо чистых химических соединений,
наноматериалов и т.д. За этими технологиями большое будущее и их
называют технологиями XXI века. Большой вклад в создание и развитие
этих технологий внесли ученые Института структурной макрокинетики и
проблем материаловедения РАН (ИСМАН) Научного центра РАН в Черноголовке
и Тамбовского государственного технического университета (ТамбГТУ).
Например, по технологии самораспространяющегося высокотемпературного
синтеза (СВС), разработанной в ИСМАН, запущено первое в мире
автоматизированное (с роботом в цехе синтеза) производство керамических
порошков. В ТамбГТУ совместно с ФГУП «ТамбовНИХИ» и ОАО
«Завод«Прогресс», г.Мичуринск разработана технология твердых
пирохимических источников кислорода с регулируемой скоростью выделения
целевого газа применительно к созданию автономных аппаратов
искусственной вентиляции легких.
Примерами твердофазной технологии являются метод СВС-экструзии (ИСМАН),
сочетающий процессы горения и высокотемпературного деформирования
продуктов горения и твердофазная экструзия полимерных и композиционных
материалов (ТамбГТУ). Общая особенность этих методов состоит в
использовании процессов пластической деформации твердых материалов.
Сейчас еще трудно предсказать масштабы практического применения и
перспективы твердофазных методов получения изделий органических и
неорганических материалов. Учитывая преимущество этих методов и
результаты ранее проведенных нами исследований, можно считать, что у
этих методов есть все предпосылки эффективного использования в
промышленности. Этот вывод подтверждает и опыт практического применения
ряда изделий, полученных методами твердофазной технологии:
СВС-электроды для наплавки и электроискрового легирования из
безвольфрамовых твердых сплавов, высокотемпературные нагревательные
элементы, изделия из твердых сплавов с использованием отходов
шлифования, штампованные изделия радиотехнического назначения из
политетрафторэтилена, несущие элементы привода снегоходов и др. изделия.
Информация, полученная при исследовании закономерностей твердофазной
технологии органических и неорганических материалов имеет
фундаментальный характер. Она способствует развитию физических
представлений о механизмах пластической деформации твердых материалов,
что является в настоящее время предметом детального изучения у нас и за
рубежом в силу их теоретического и прикладного значения. Однако,
несмотря на большой объем исследований, выполненных в данном
направлении, полной ясности в трактовке этих процессов до сих пор не
достигнуто. Практическая ценность полученных знаний о твердофазном
деформировании и направленном регулировании свойств материалов путем
создания новых специальных композиционных сплавов обусловлена
разработкой технологических процессов получения новых изделий, не
имеющих аналогов в мире, оборудования, внедренного в промышленное
производство.
Научная цель проекта:
- разработка физико-материаловедческих и реологических принципов
управления формированием микроструктуры керамических и композиционных
полимерных материалов при их деформировании в условиях твердофазной
экструзии;
- исследование возможности получения нанокристаллических материалов методом твердофазной экструзии.
Выполнение проекта позволит:
- создать новую научную теорию структурообразования и
высокотемпературного деформирования органических и неорганических
материалов, включающую реодинамику, нестационарный перенос и фазовые
превращения;
- создать научные основы методов твердофазной экструзии для получения
изделий из тугоплавких соединений, керамических композиционных
материалов, твердых сплавов, полимеров и других материалов.
Влияние на развитие смежных областей науки.
Изучение различных фундаментальных аспектов структурообразования и
деформирования керамических и композиционных материалов, полученных
методами твердофазной экструзии требует междисциплинарного синтеза
знаний в различных областях науки: реологии, структурной механики,
современного материаловедения, химической кинетики и др.
Принципиальные различия в механизмах и динамике структурообразования
при твердофазной экструзии ставит новые задачи в области физического
материаловедения. В связи с этим потребуется изучить закономерности
формирования текстур деформации и анизотропных структур в различных
условиях деформирования в сочетании с высокими статическими или
динамическими давлениями.
Фундаментальная значимость проекта.
Научный интерес к проблеме самораспространяющегося высокотепературного
синтеза (СВС) в условиях силовых воздействий вызван стремлением
рассмотреть фундаментальные аспекты взаимно связанного протекания
процессов горения и высокотемпературного деформирования. В этих
условиях тепловая теория горения уже неприемлема и возникает
настоятельная необходимость создания новой феноменологической теории,
учитывающей влияние высоких термических напряжений и структурных
дефектов на процессы горения.
В проекте будут исследованы механизмы и закономерности пост-процессов
при СВС-экструзии: процессы кристаллизации, фазовые и структурные
превращения, диффузионный перенос в двухфазной твердожидкой области. На
этой основе будет создана новая научная теория структурообразования и
высокотемпературного деформирования горячих СВС-продуктов, включающая
реодинамику, нестационарный перенос и фазовые превращения.
Как известно, порошки тугоплавких соединений являются хрупкими и
труднодеформируемыми, отсутствие пластичности как при комнатных, так и
при повышенных температурах резко ограничивает и технологические приемы
изготовления из них изделий, повышение пластичности этих материалов
возможно за счет перевода их в сверхпластическое состояние. Необходимым
условием перехода в сверхпластическое состояние при этом является
наличие стабильной микроструктуры с субмикронными размерами зерен.
Традиционные керамические материалы обычно имеют размеры зерен 1-10
мкм. Важной фундаментальной проблемой является разработка
физико-химических принципов управления структурообразованием в керамике
в процессе ее синтеза с целью получения субмикронной структуры.
Практическая значимость проекта.
Методы твердофазной экструзии дают возможность прямого получения
изделий из хрупких труднодеформируемых материалов. В этих процессах
проявляется их малоизученное свойство – способность к пластическому
деформированию. Преимущества процесса СВС в условиях пластической и
сверхпластичческой деформации для формирования изделий по сравнению с
другими технологиями очевидны. Сам процесс происходит за десятки секунд
(вместо часов). При этом технология существенно упрощается и отпадает
необходимость в сложном и дорогом оборудовании. Предложенный процесс
относится к экологически чистым энерго- и ресурсосберегающим методам
производства, поскольку не сопровождается загрязнением среды,
отсутствуют отходы производства, не используется внешний нагрев. Это
все делает заманчивым использование предлагаемого процесса для
получения изделий из многих тугоплавких соединений, таких как
керамические и композиционные материалы, твердые сплавы, полимерные
композиты и др. Можно надеяться, что этот технологический процесс
найдет большое применение в будущем.
В проекте будут разработаны технологические основы новых методов
твердофазной экструзии для получения композиционных органических и
неорганических материалов и готовых изделий. Важным моментом в
разработке и усовершенствовании этих методов является понимание условий
уплотняемости и формуемости материалов при различных механических
воздействиях. При этом предполагается выявить условия появления
повышенной пластичности и сверхпластичности материалов при наличии
определенных температурно-скоростных условий.
Изложение научных проблем.
Мы предполагаем
провести теоретическое и экспериментальное исследование деформационных
явлений и эффектов, а также макрокинетики и структурообразования в
системах на основе TiB, TiC, TiSi, MoSi2 различными методами
СВС-экструзии. Характерный температурный диапазон формования материалов
при протекании этих процессов весьма широк: от температуры горения до
температуры рекристаллизации, поэтому они относятся к горячим методам
обработки. Однако сами условия проведения технологических процессов
необычны: короткие времена (1-10 сек.), высокие температуры и
чрезвычайно большие скорости нагрева исходных компонентов (до 2.104
град/сек.). Все это обуславливает принципиальные различия в механизмах
и динамике структурообразования и ставит новые задачи в области
физического материаловедения.
Предполагается провести математическое моделирование процессов
высокотемпературного деформирования и горения композитных порошковых
материалов с учетом их реального реологического поведения. На основе
математического моделирования будут объяснены причины и условия
наступления известных экспериментальных явлений и эффектов, наблюдаемых
в технологии СВС-компактирования: дефектообразования на поверхности
образцов, «разбухание» выдавленной части материала и закупорка
формующей матрицы при СВС-экструзии, недоуплотнение и перепрессовка при
СВС-прессовании, измельчение зерна при механических воздействиях на
материал и прочее. Будут разработаны новые тепловые и реодинамические
модели высокотемпературного деформирования продуктов горения, с учетом
их реального реологического поведения в условиях сочетания процессов
СВС и пластического течения. В результате выполнения этой части проекта
предполагается изучить влияние тепловых, реодинамических и структурных
факторов на возможность пластического и сверхпластического
деформирования керамических и композиционных материалов (не только
нанокристаллических), полученных методами твердофазной экструзии.
Определенное внимание будет уделено созданию методов и приборов для
измерения реологических свойств продуктов горения в области высоких
температур. Основная идея методов реологических измерений заключается в
регистрации динамических и кинематических характеристик уплотнения
продуктов горения в различных режимах деформирования. Новизна методов
заключается в том, что он позволяет изучить различные реологические
свойства, такие как вязкость, пластичность, упругость в зависимости от
длительности и глубины процессов структурных превращений, а также от
температуры и интенсивности деформирования.
|
|
