Развитие системно-структурного материаловедения и разработка технологий получения износостойких покрытий и высокоэффективных макрогетерогенных материалов (алмазных композитов, базальтопластиков)

Объекты исследования: износостойкие газотермические покрытия и макрогетерогенные материалы (алмазные композиты, базальтопластики). Цель работы: развитие системно-структурного материаловедения и разработка технологий создания износостойких покрытий, высокоэффективных алмазометаллических композитов и базальтопластиков на основе выявления механизмов модифицирующего влияния ультра-, нанодисперсных добавок различной природы, получения многоуровневых высокоструктурированных морфологических элементов и при учете особенностей развития деструктивных процессов при воздействии эксплуатационных нагрузок. Методология исследований основана на работах отечественных и зарубежных ученых в области получения износостойких покрытий и композитов, а также на принципах наномодифицирования, единства стадий производства и применения, использования местного минерального сырья. Основные результаты. 1. Проведено статистическое моделирование экспериментально наблюдаемого формоизменения частиц и структурообразования в газотермических покрытиях. Пористость, как основная характеристика макроструктуры и свойств (согласно представлениям о ведущей роли элементов мезоуровня при деградации и разрушении), описывается простой марковской цепью пористости отдельных слоев. Построена матрица переходных вероятностей для однородной цепи Маркова; результаты расчетов пористости макроструктуры покрытия на гладкой подложке согласуются с литературными данными по экспериментальным исследованиям пористости. 2. Исследованы особенности термохимических соединений природного алмаза с металлами переходной группы (хромом, железом, титаном). Выявлено образование металлизированных покрытий, обеспечивших прочное сцепление образцов алмаз-хром и алмаз-железо. Разработаны технологии спекания, повысившие ресурс алмазных инструментов за счет монолитности и прочности границ алмаз-матрица при формировании металлокарбидного покрытия, обеспечившего многоуровневую структурную организацию интерфейсной зоны. 3. Разработано наномодифицированное полиэпоксидное связующее, повысившее прочность межфазных связей между армирующим волокном и связующим в базальтопластиковой арматуре за счет формирования высоко-структурированных приграничных областей. Исследована деградация и установлено существенное увеличение открытой пористости опытной арматуры после 48-месячного экспонирования в зоне экстремально холодного климата. На основе теории марковских цепей предложена статистическая модель формирования пористости при климатических испытаниях базальтопластика. Построена матрица переходных вероятностей для простых однородных цепей Маркова, которые соответствуют равномерной деградации композита. 4. Опытные образцы материалов положительно аттестованы при лабораторных и стендовых испытаниях. Таким образом, задачи этапа 2020 г. проекта решены в полном объеме. Научная новизна. Получены имеющие мировой приоритет результаты, развивающие фундаментальные основы физикохимии кристаллического многофазного состояния вещества; разработаны новые подходы к синтезу высокоэффективных композитов при регулировании адгезионного взаимодействия на межфазных границах. Степень реализации и основные технико-эксплуатационные показатели. Изготовлены образцы алмазного инструмента и базальтопластиковой арматуры с повышенными эксплуатационными характеристиками, значительно превышающими стандартные требования. Области применения: упрочнение контактных поверхностей; создание алмазного инструмента повышенной стойкости; получение базальтопластиков нового поколения. Прогнозные предположения о развитии объектов исследования: трибоповерхности для работы изделий при повышенных контактных нагрузках; высокостойкие алмазные композиты для обработки камня, металлов, горных пород; базальтосодержащие материалы нового поколения.