Создание теоретической и экспериментальной платформы для изучения физико-химической механики материалов со сложными условиями нагружения

Впервые проведена серия экспериментов по исследованию лазерного воздействия на порошковую смесь B и сплава Ti64 с массой 1:9. Проведено исследование структурно-фазового состава полученного металлокерамического композита. В результате прямого лазерного выращивания на порошковую смесь B и сплава Ti64 и in-situ синтеза сформирован функционально-градиентный металлокерамический материал, содержащий в своем составе металлическую матрицу из сплава Ti64 и керамики TiB/TiB2. Управляя параметрами пост термической обработки образцов со сварным соединением исследованных термически упрочняемых алюминиевых сплавов, возможно целенаправленно влиять на формирование заданных механических свойств сварного шва за счет изменения структурно-фазового состава. оптимальные лазерное воздействие и последующая термообработка позволили достичь значений прочностных характеристик сварных соединений близких или равных исходному сплаву. Впервые исследовано течение жидкости в новом биологическом реакторе, позволяющем создавать имплантационный материал костной ткани. Разработана математическая модель течения жидкости в ротационном реакторе, и с использованием результатов численного моделирования был оптимизирован режим его работы. Применение лазерной диагностики показало перспективы для неинвазивной оценки динамики роста костной ткани в процессе ее культивирования. На основе дискретной модели неоднородной сплошной среды показана возможность построения сложных гетерогенных и градиентных сред. Сделано обобщение модели на конструкционные металлы, обладающие разбросом механических свойств в некотором диапазоне величин. Выполненные расчеты, моделирующие процесс пробития алюминиевой преграды, которая обладает нормальным распределением предела текучести, показали более реалистичное соответствие результатов расчета экспериментальным данным. Показано, что результаты расчета по авторскому пакету «REACTOR 3D», дают значения на баллистической кривой наиболее близкие к экспериментальным зависимостям. Баллистические кривые, построенные методом наименьших квадратов, показывают отклонение от экспериментальных данных не более 3%. Разработан нелокальный аналог модели Гурсона-Твергарда-Нидельмана для описания обработки металлов давлением а также для моделировании аварийных сценариев. Кинематика больших деформаций описана с помощью набора мультипликативных разложений тензора градиента деформации. Предложен новый вариант нелокальной модели ГТН. Новизна по сравнению с альтернативными вариантами состоит в применении мультипликативного разложения тензора градиента деформации в сочетании с гиперупругими соотношениями между напряжениями и деформациями, а также в эксплуатации эффекта запирания повреждённости. Определены оптимальные условия формирования композита на основе алюминия и добавки частиц металлического стекла Fe66Cr10Nb5B19 методом электроискрового спекания. Удалось получить композиты без заметного взаимодействия между фазами и композиты с реакционными слоями разной толщины. Спеченные и спеченные/кованые композиты, не имеющие продуктов реакции, и композиты, содержащие тонкий слой продуктов реакции (2 мкм) обладали схожим поведением при деформации, близкими значениями предела текучести (110-140 МПа) и имели высокую пластичность, составляющую 50% истинной деформации при сжатии. Композит, спеченный при 570 ºC в течение 3-х мин содержит слой продуктов реакции толщиной 12 мкм и включает лишь 37% по объему остаточного алюминия. Данный материал демонстрирует очень высокую прочность при сжатии (780 МПа) и деформацию при разрушении 2%. Определены оптимальные параметры газодетонационного напыления (угол наклона подложки дистанция напыления) покрытия из порошка металлокерамики Cr3C2/NiCr и Cr3C2/Ni. Определены свойства полученных покрытий: пористость, твердость, прочность сцепления, остаточные напряжения и абразивная стойкость. Методиками рентгенографии и рентгеновского рассеяния с высоким временным разрешением исследовано поведение материалов в условиях экстремального нагружения. Получены данные по механике деформирования и разрушения материалов в условиях скоростного удара. Разработан экспериментальный подход и методика обработки сигнала малоуглового рентгеновского рассеяния позволившая исследовать динамику процесса конденсации углерода при детонации зарядов смеси тротила с гексогеном диаметром до 40 мм с экспозицией в доли наносекунды. Используя синхротронное излучение реализованы методики in-situ исследований структуры конструкционных материалов в условиях механического нагружения – рентгеновской дифракции и микротомографии плотности. На модельных образцах продемонстрированы возможности методик. Обоснована причина выдающейся абразивной способности импактных алмазов. Она связана не с примесью лонсдейлита, как это предполагалось ранее, а с нанополикристаллической структурой алмазов с неупорядоченным строением границ между когерентными наноразмерными блоками и сокращенным межатомным расстоянием в границах, что обеспечивает повышенную плотность импактных алмазов. Эта особенность связана с шоковыми условиями образования импактных алмазов из графита, что отличает эти алмазы от обычных, растущих по диффузионному механизму. В последнем случае граница между когерентными блоками упорядоченная (индукционные поверхности) и к таким алмазам применим закон Холла-Петча, который постулирует повышенную абразивную устойчивость для агрегатов до субмикронного уровня, тогда как для агрегатов с наноразмерными когерентными блоками наоборот, отмечается снижение абразивной устойчивости. Показано, что синтез алмазов с помощью взрыва может продуцировать алмазы со структурой, подобной импактным, только из графита. Однако получаемые алмазы имеют очень малые размеры, не более 100 нм. Попытки синтеза крупных алмазов в ампулах сохранения также не увенчались успехом, т.к. невозможно избавиться от пористости исходного материала и получаемые алмазы рыхлые. В лабораторных условиях можно получать аналоги импактных алмазов в условиях статического давления при давлениях более 20 ГПа и высокой температуре, однако промышленное производство таких алмазов бессмысленно при наличии запасов импактных алмазов в Попигайской астроблеме более 1,2 триллиона каратов. Проведена серия экспериментов по определению устойчивости импактных алмазов, предварительно тестированных на содержание лонсдейлита, к графитизации. Этот вопрос важет с точки зрения определения параметров компактирования, чтобы не попасть в поле графитизации алмазов. Эксперименты проведены для двух сортов алмазов: светлых с минимальным количеством лонсдейлита (сорт А) и темных с повышенным количеством лонсдейлита и остаточным графитом (сорт Б). показано, что при давлении 5,5 ГПа сорт А сохраняет устойчивость к графитизации до температуры более 2250 °С; сорт Б менее устойчив к графитизации из-за наличия внутренних дефектов в форме лонсдейлита и рассеянного графита. В связи с этим, предварительная модификация импактных алмазов бором облагораживает дефектные алмазы и повышает их термостойкость. Дана детальная характеристика зювитов – туфогенной составляющей импактных пород Попигайской астроблемы, содержащей, как и тагамиты, исследованные в 2020 году, импактные алмазы; впервые проанализировано содержание элементов платиновой группы, позволяющих определить характер импактора – космического тела, сформировавшего кратер. Зювиты составом и свойствами отражают центральную часть кратера, где были максимальные параметры по давлению и температуре, для них характерно присутствие диаплектовых (ударных) стекол по некоторым минералам, а также переплавленных диаплектовых стекол, связанных с очень высокой постударной температурой. Проведено компактирование импактных алмазов с добавкой SiC и Si при давлении 5,5 ГПа и температуре 1600-1800 °С. Полученные компакты показали высокие абразивные свойства, поэтому такие компакты могут служить рабочими элементами при камнеобработке, например, в буровых долотах. Механоактивация шихты перед компактированием уменьшает размеры когерентных блоков в зернах импактных алмазов и снижает долю лонсдейлита, что благоприятно сказывается на качестве компактов. Проведено компактирование импактных алмазов с добавкой аморфного бора в количестве 2 вес.%. При 7 ГПа и температуре нагрева при 1,2 – 1,35 кВт (до порога графитизации, т.е. примерно 2000-2100 °С) получены компакты с хорошими абразивными свойствами. Бор входит в кристаллическую решетку алмаза и меняет ее параметр кристаллической ячейки, а также «смягчает» ее и способствует упорядочению структуры, вследствие чего уменьшается количество лонсдейлита и уменьшается пористость, что обеспечивает высокое качество компактов. Активация бором в небольшом количестве модифицирует импактные алмазы и повышает их качество за счет уменьшения доли лонсдейлита и связывания графита в алмазную фазу. Этот результат показывает возможность предварительной обработки и мпактных алмазов для повышения их качества в любых технологиях. В рамках развития методов изучения процессов газификации и исследования продуктов горения высокоэнергетических твердотопливных композиций был создан уникальный комплекс экспериментального оборудования на основе разных физических принципов для определения скорости газификации, состава и морфологии частиц конденсированных продуктов горения размером от нескольких нанометров до сотен микрометров; для идентификации состава газообразных продуктов горения, в том числе коротко живущих химически активных; для выявления термоакустических явлений, возникающих при нестационарном горении в камере сгорания. Для обработки большого массива экспериментальных данных исследования термоакустических автоколебаний в камерах сгорания, вращательно-поступательного движения частиц аэрозоля и воспламенения/горения микрочастиц бора, покрытых тонким оксидным слоем, были предложены математические модели, алгоритмы и созданы программные комплексы, позволяющие численно описать процессы горения высокоэнергетических твердотопливных композиций с высокой степенью достоверности и оптимизировать конструкцию эксперментальных установок. В рамках развития каталитических методов управления параметрами горения высокоэнергетических материалов разработаны подходы к синтезу монометаллических комплексных соединений, содержащих разные комплексообразующие металлы (Ni, Cu, Fe, Mn, Cr, Co), энергонасыщенные органические лиганды (имидазол, семикарбазид, этилендиамин, аминогуанидин) и анионы (нитрат и перхлорат). Было определено, что синтез имидазольных комплексов в расплаве имидазола с кристаллогидратами нитратов и перхлоратов переходных металлов позволяет не только отказаться от использования растворителей, но и быстро получить безводные комплексы при низких показателях энерго- и ресурсоемкости. Особенно этот подход интересен для приготовления комплексов подвергающихся окислению в растворителях без их тщательной осушки и удаления перекисей. Исследование термохимических превращений монометаллических комплексных соединений, в том числе в модельной твердотопливной композиции с нитрамином, позволило выявить основные стадии их трансформации и механизм в волне горения. Было продемонстрировано влияние на кинетику этого процесса природы энергоемкого лиганда, аниона-окислителя и комплексообразующего металла. Так, энергия активации стадии отщепления лиганда, а, следовательно, энергия связи лиганда с металлом, возрастает в ряду: Ni(Im)6(ClO4)2 < Ni(En)3(ClO4)2 < Fe(Im)4(NO3)2 < Cu(Im)4(NO3)2, а для стадии экзотермического взаимодействия «лиганд-анион» характерно увеличение энергии активации в ряду: Fe(Im)4(NO3)2 < Cu(Im)4(NO3)2 < Ni(Im)6(ClO4)2 < Ni(En)3(ClO4)2 < Ni(SC)3(ClO4)2. Учитывая зависимость кинетических параметров газификации монометаллических комплексных соединений и модельных твердотопливных композиций от природы металла, было предположено, что в волне горения формируется металлсодержащая фаза, которая ускоряет взаимодействие органического лиганда с анионами-окислителями и увеличивает полноту разложения нитрамина в к-фазе с большим экзотермическим эффектом. Было обнаружено, что в волне горения из монометаллических комплексных соединений разного состава и способа приготовления образуются оксиды металлов, часть которых под действием аммиака (или углерода) восстанавливается до металлического состояния. Наличие в комплексе перхлорат-анионов приводит к снижению доли восстановленного металла или к его полному отсутствию в конденсированных продуктах горения. Подводя итог проведенным исследованиям, можно сделать заключение, что при термораспаде комплексов в волне горения образуется оксидная фаза, которая, вероятно, и катализирует более полную газификацию как продуктов термолиза лигандов, так и нитрамина в модельной твердотопливной композиции, увеличивая полноту его разложения в к-фазе. Запланированные на втором этапе проекта работы выполнены в полном объеме.