Фундаментальные исследования фазо- и структурообразования при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе и создание химико-технологических основ получения новых материалов для решения прикладных задач

Несмотря на интенсивное развитие химических технологий полимеров материалов, неорганические материалы по-прежнему являются основным классом материалов, определяющих развитие ключевых отраслей современной промышленности. Существует большое количество технологий производства неорганических материалов. Однако при существующем их многообразии имеются общие принципиальные положения, являющиеся основой при выборе технологического процесса производства материалов с практически востребованными свойствами. Одним из главных положений, формирующих современную технологию производства неорганических материалов, является то, что эта технология является преимущественно химической. Поэтому для выбора и обоснования технологических принципов получения материалов с заданными и практически востребованными свойствами необходимо знать: – состав и структуру веществ, из которых состоят исходные материалы, особенности их формирования применительно к условиям синтеза; – закономерности химических протекания химических реакций и физико-химических процессов (растворение, кристаллизация, смачивание, адсорбция, адгезия и др.), определяющие особенности реологических свойств материалов, тепломассообменные процессы, протекающие во время их производства; – особенности взаимодействия высокодисперсных систем (субмикронных и нано размерных частиц) и т.п. Основной предпосылкой для таких исследований является необходимость создания материалов для новых образцов техники, обладающих заданным (требуемым) набором эксплуатационных свойств за счет четкого выбора алгоритма синтеза и последующей обработки материала. Поэтому технологии производства неорганических материалов непрерывно развиваются и совершенствуются, базируясь на полученных новых научно-технических знаниях. Однако для выбора оптимальной и эффективной производственной технологии необходимо учитывать множество аспектов: технологичность, производительность, сложность и стоимость применяемого оборудования, доступность сырья, экологическое воздействие и др. Существуют приемы, которые позволяют управлять сложными процессами структурообразования и получать материалы с востребованным набором свойств. Среди них можно выделить механическое воздействие (ковка, прессование, прокатка, экструзия и т.д.), регулирование температурного воздействия на стадии синтеза, ведение функциональных и технологических добавок, использование ультразвукового, магнитного, электромагнитного, электроимпульсного воздействия и др. Одним из основных принципов технологических процессов производства материалов высокого качества и с заданными практически востребованными свойствами является комплексность использования физических, механических и химических методов воздействия на исходное сырье и материал в процессе его синтеза. Следует отметить, что современное законодательство многих стран предъявляет повышенные требования к химическим технологиям, а также учитывает меры по энергосбережению и требования промышленной экологии. Модернизирование существующих традиционных технологий и разработка новых методов синтеза материалов конструкционного и функционального назначения, с требуемым и практически востребованным набором физико-химических характеристик, являются основным объектом НИР и технологических разработок, направленных на успешное развитие авиационно-космической техники, энергетики, атомной промышленности, электроники, химии и металлургии, военной и специальной техники. Проведенные в данной работе исследования относятся именно к такому актуальному направлению развития современной науки и техники, составляющему в настоящее время основное содержание большинства государственных программ РФ в области ресурсосбережения, импортозамещения, прорывного развития наукоемких технологий и производства инновационных материалов. Основным направлением выполняемых научных исследований является получение неорганических материалов и изделий методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [1-5], основанным на принципе оптимального использования тепла химических реакций (энергонезависимость основного технологического процесса), простоте, универсальности и высокой производительности оригинального СВС-оборудования. Научные исследования механизма и закономерности процессов горения металлов и неметаллов с изучением химических превращений реагентов в процессе СВС и свойств продуктов горения позволяют управлять процессами синтеза и получать индивидуальные соединения заданного состава с возможностью получения материалов с заданными практически востребованными свойствами. В течение 2022 года были проведены исследования по изучению механизма процессов СВС при синтезе порошковых материалов, компактных пористых материалов, покрытий. Полученные результаты вносят свой научный и практический вклад в развитие структурной макрокинетики и создание технологий материалов с востребованным набором физико-химических свойств в реальном секторе экономике. Среди исследуемых материалов за отчетный период можно выделить две группы материалов: керамические и металлические. К первой группе можно отнести: синтез субмикронных и нанопорошков карбида кремния, востребованных для аддитивных технологий и технологий спекания; синтез оксинитрида алюминия (Al23O27N5) с функциональными добавками, синтез пористых керамических материалов, на основе Al2O3, с субмикронным размером пор, синтез плотных матриц на основе аналогов минералов горных пород для иммобилизации ВАО ядерной промышленности, синтез материалов на основе фторфлогопита, исследование диэлектрических свойств СВС-керамики на основе BN–ZrB2 и BN–ZrO2 и др. Ко второй группе исследуемых материалов можно отнести: cинтез сплавов на основе системы Ti-Al-Mn и Ni-Al-Mn, синтез пористого композитаTiB2–3NiAl в смеси с механически активированными гранулами Ni3-Al, синтез МАХ фазы V2AlC методами магниетермии, получение сплава на основе системы Ti-Al-Si и др