Научные основы создания новых материалов.

Научные основы создания новых материалов.

В Институте физики прочности и материаловедения завершен крупный этап работ в области физической мезомеханики структурно- неоднородных сред. Разработан принципиально новый оптико- телевизионный измерительный комплекс, позволяющий проводить прецизионные измерения векторов смещений и компонентов тензора дисторсии в нагруженных материалах и конструкциях на площадях любой величины с разрешением 1500 векторов на мм². Это в 10³ раз выше разрешения применяющихся в настоящее время лазерных измерительных комплексов. С помощью этого метода ранее было обнаружено, что в деформируемом твердом теле на мезоуровне движутся объемные структурные элементы (мезообъемы). Физическая мезомеханика позволяет в рамках единого формализма органически объединить описание деформируемого твердого тела на макро- и микроуровне.
На основе развитых представлений предложена единая классификация структурных элементов деформации на всех масштабных уровнях. Деформация любого материала в произвольных условиях нагружения может быть представлена как совокупность движения определенных структурных элементов деформации различного масштаба в таблице мезоуровень выделен из общепринятого микромасштабного уровня (мезо I) и общепринятого макромасштабного уровня (мезо II). На примере мезомеханики деформации сварных соединений и усталостного разрушения в таблице показано, что для описания этих сложных видов деформации нет необходимости разбираться в микромасштабном уровне (как установили исследования, он не играет определяющей роли, клеточки в таблице пустые). В этих случаях определяющими факторами являются мезо- и макромасштабный факторы. Они могут быть представлены из вполне определенных элементов таблицы и рекомендованы специалисту при построении моделей в компьютерном конструировании материалов.
Указанному примеру соответствует последний столбец таблицы, где стадия I на мезоуровне отвечает за формирование структурных элементов (доменных структур), на стадии II - происходит их разориентация. Эволюция доменной структуры лежит в основе разрушения материала.
Институтом физики им.Л.В.Киренского при отжиге аморфного сплава Со₅₈Ni₁₀Fe₅B₁₆Si₁₁ в докристаллизационной области температур обнаружен новый тип структурных изменений аморфных сплавов на стадии структурной релаксации - фазовое превращение "аморфная фаза 1 - аморфная фаза 2". Ранее к структурной релаксации аморфных сплавов относили уменьшение свободного объема, возникновение геометрического ближнего порядка, установление химического ближнего порядка.
В Институте теплофизики им. С.С.Кутателадзе предложена физико-математическая модель динамики поведения частиц тугоплавких соединений в перегретом расплаве. Модель используется для анализа устойчивости ультрадисперсных металлических суспензий, определения оптимального времени гомогенизации частиц в объеме расплава, а также условий частичной или полной модификации сплава. Опытные разливки чугунных отливок показали удовлетворительное согласие с теоретическими оценками.
Разработаны математическая модель и пакет прикладных программ для численного анализа нестационарных теплофизических процессов в многоканальных чугунных изложницах. Проведено исследование динамики изменения температурных полей и термоупругих напряжений в пятиканальной изложнице при затвердевании в ней металлических слитков. Предложены научно-технические рекомендации по снижению уровня термических напряжений и вероятности образования трещин на поверхности рабочих каналов.
Проведены расчетно-теоретические исследования рациональных режимов охлаждения непрерывнолитого слитка стали в системе вторичного водовоздушного охлаждения. Получено функциональное соотношение, связывающее удельный расход воды с коэффициентом теплоотдачи, обеспечивающим формирование бездефектного слитка. Результаты исследования используются для отработки оптимальных технологических параметров многоручьевой машины непрерывной разливки стали на Западно-Сибирском металлургическом комбинате.
Построена компьютерная модель формирования окатышей на готовых центрах окомкования. При построении модели принималось, что агрегация дисперсных частиц обусловлена капиллярными силами в жидких прослойках. Предложенная модель используется для отработки оптимальных характеристик процесса окомкования железистых шламов металлургического производства Кузбасса.
В Институте горного дела изучены неупругие свойства класса анизотропных твердых тел, предложены методы сложного нагружения образцов, позволившие существенно повысить прочностные и деформационные свойства среды. Сложное нагружение образцов предполагает активное силовое нагружение тел в одних направлениях и частичную разгрузку в других.
Примером такой реализации сложного нагружения является повышение прочностных и деформационных свойств начально анизотропного циркониевого сплава Zr-1% Nb, используемого в атомной энергетике.
В Институте неметаллических материалов разработаны новые рецептуры полимер-эластомерных композиций на основе бутадион- нитрильного каучука, сверхвысокомолекулярного полиэтилена, фторопласта ф-4МБ и поливинилхлорида. Представленные на рисунке 73 зависимости демонстрируют пониженную (на 15-30%) адгезию композиций при примерзании к металлам и повышенную (на 20%) износостойкость. Улучшение этих характеристик вызвано вытеснением полимера на поверхность изделий и образованием защитной пленки, что доказано методом ренгеноструктурного анализа.
Во многих институтах Отделения проводились работы в области ультрадисперсных материалов.
В Институте химии твердого тела и переработки минерального сырья методом восстановления нитрата серебра из микроэмульсий "вода в масле" с использованием в качестве ПАВ неионогенного этоксилированного алкилфенола общей формулы R-C₆H₄O-(C₂H₄O)_nH, а в качестве восстановителя гипофосфита натрия осуществлен синтез наночастиц серебра. Методами электронной спектроскопии диффузного отражения (ЭСДО) и малоуглового рассеяния (МУР) установлено, что средний размер частиц Ag в микроэмульсиях составляет 4,0-8,0нм, и они характеризуются устойчивостью как в микроэмульсиях (до нескольких месяцев), так и в нанесенных гетерогенных системах Ag/Al₂O₃. Микроэмульсионный синтез является перспективным для моделирования структуры и физико-химических свойств наночастиц серебра. Получаемые детонационным способом ультрадисперсные алмазы, как правило, агрегированы в крупные частицы с размерами до сотен микрон, что затрудняет их практическое использование.
В Институте химии и химико-металлургических процессов разработана методика получения коллоидных растворов, состоящих из неагрегированных одиночных алмазных частиц с размером порядка нескольких нанометров. Основное преимущество таких растворов по сравнению с порошками заключается в том, что появляется возможность длительного хранения (более 1 года) и дальнейшего использования алмаза в предельно диспергированном состоянии. Полученные таким способом алмазные коллоиды перспективны для электрофоретического осаждения покрытий, синтеза алмазосодержащих композитов, мембран и стекол. Заметно большую трудность, чем получение коллоида, представляет контроль за состоянием алмазных частиц непосредственно в растворе из-за их малых размеров. В ИХиХМП разработана методика контроля таких частиц в тонкой пленке коллоидного раствора при помощи растрового туннельного микроскопа.
В отделе физики нанофазных материалов (г.Красноярск) получены нитевидные углеродные кристаллы длиной до 25 см из квазирастворов, в которых кластеры алмаза имеют размер около 4 нанометров. На фотографии видно, что усы прозрачные. Рентгеноспектральным методом определено, что усы состоят только из углерода, а методом ИК-спектроскопии получены предварительные данные, подтверждающие, что усы состоят из алмазных наночастиц.
Специалисты Института теоретической и прикладной механики и Института вычислительных технологий на основе методов молекулярной динамики и квантовой химии объяснили и исследовали процессы образования полициклических кластеров углерода и процессы изомеризации их в фуллереновую структуру. Квантово-химическое моделирование реакций между малыми кластерами в парах углерода показало, что в процессе конденсации сначала образуются углеродные кольца размером более 10 атомов, которые практически безбарьерно соединяются между собой в полициклические структуры. Методом молекулярной динамики рассчитан процесс изомеризации полициклических кластеров в фуллерены, заключающийся в последовательном образовании новых связей и переходом из планарной конфигурации в сферическую. Предложенная авторами кинетическая модель изомеризации позволила впервые оценить характерные времена сборки фуллеренов. Созданные модели и методы позволили рассчитать кластерные структуры и некоторых других материалов.
В Институте физики прочности и материаловедения построена математическая модель высокотемпературного синтеза химических соединений с эвтектической диаграммой состояния в режиме теплового взрыва порошковой системы чистых элементов. В приближении к реальным порошковым системам на примере интерметаллических соединений никеля с алюминием проведены количественные расчеты теплофизических параметров процесса синтеза, определены количественные зависимости фазового состава конечного продукта от геометрических параметров исходной порошковой системы и энергетических параметров процесса синтеза химического соединения. Впервые решена задача влияния процессов зародышеобразования новой фазы на границах раздела взаимодействующих компонентов на критические условия воспламенения порошковой системы, кинетику формирования и фазовый состав конечного продукта. Полученные результаты позволяют создавать компьютерные модели технологических процессов синтеза интерметаллидов, сплавов и композиционных материалов на их основе с заданными характеристиками структуры и физико-механических свойств.

В оглавление. Далее.