Разработка принципов и технологий создания перспективных для Севера и Арктики материалов с функционализированной структурой на основе изучения влияния компонентного состава и особенностей технологических переделов на структурно-фазовую организацию и механизмы формирования параметров качества с учетом условий эксплуатации

Отчет 127 с., 1 кн., 41 рис., 22 табл., 139 источн., 1 прил. ПОВЕРХНОСТЬ ТРЕНИЯ, АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИЙ КОМПОЗИТ, ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИТ, ГАЗОТОПЛИВНЫЙ БАЛЛОН, ПОКРЫТИЕ, МОДИФИЦИРОВАНИЕ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, РАБОТОСПОСОБНОСТЬ, СЕВЕРО-АРКТИЧЕСКАЯ КЛИМАТИЧЕСКАЯ ЗОНА Объекты исследования: поверхности трения, алмазометаллические композиты, полимерные композиты, эксплуатационные разрушения. Цель работы: Развитие концептуальных принципов и создание инновационных материалов с регулируемой структурой для эффективного использования в северо-арктических регионах на основе исследования влияния составов, структурно-фазовых состояний, физико-химических и технологических факторов на уровень реализуемых свойств с учетом процессов деградации при воздействии различных эксплуатационных нагрузок и природно-климатических условий. Методология исследований является междисциплинарной (используются подходы физики, химии, механики и др. дисциплин) и базируется на современной парадигме разработки материалов по схеме «состав–структура–свойства–технология–условия эксплуатации», то есть материал рассматривается как интегральное понятие, объединяющее в себе не только вещество, но и технологию его изготовления с учетом условий, в которых будет работать этот материал. В основе методологии – данные об исследуемых процессах и явлениях, полученные разными исследователями и представленные как в обзорах литературы, так и при обсуждении результатов. Основные результаты. 1. Выявлена обратная закономерность в изменении плотности дислокаций контактных слоев пары трения «износостойкое покрытие - подшипниковая сталь» после трибологических испытаний в условиях низких климатических температур (при -45ºС): в то время как для покрытия плотность дислокаций снизилась, для стали наблюдается ее повышение. 2. С целью изучения предельных состояний, возникающих при действии эксплуатационных нагрузок, исследованы структурно-механические особенности алюминиевого сплава в зоне развития малоцикловой усталостной трещины, повлекшей квазидинамическое разрушение сосуда высокого давления, и выявлено отклонение значений микротвердости металла от закона нормального распределения. 3. Исследованы состав и поверхностные характеристики (примеси, функциональные группы) частиц природного и детонационного наноалмаза до и после термической модификации; показана эффективность метода для очистки и функционализации поверхности наноалмаза, что необходимо для направленного воздействия на его физико-химические свойства с учетом требований конкретных практических применений. 4. По результатам сравнительных экспериментов обоснован выбор метода пултрузии как наиболее перспективного для обеспечения качества арматурных изделий для Севера и Арктики, отработаны рецептурно-технологические параметры и изготовлены гладкие стекло-, базальтопластиковые стержни; испытаниями на продольный изгиб выявлено, что пределы прочности, модули упругости и предельная деформация стержней находятся на уровне аналогичных показателей промышленно выпускаемой композитной арматуры. Таким образом, задачи этапа 2024 г. проекта решены в полном объеме. Научная новизна результатов определяется: 1) вкладом в решение являющихся открытыми вопросов изучения фрикционного взаимодействия порошковых и монолитных материалов в условиях естественного холода, а также накопления поврежденности в металле реальных конструкций, подвергающихся воздействию переменных нагрузок при работе на северо-арктических территориях; 2) приоритетными результатами в области выявления строения и характеристик природного наноалмаза, модифицирования его поверхностного функционального слоя для решения разнообразных прикладных задач (совокупность поставленных в проекте задач по исследованию и последующему применению такого малоизученного объекта как природный наноалмаз не имеет аналогов в мировой практике исследований и отвечает передовым направлениям развития современных нанотехнологий); 3) получением приоритетных данных по формированию структуры армированных непрерывными волокнами конструкционных композитных материалов во взаимосвязи с реализуемыми свойствами и устойчивостью к природно-климатическим факторам Севера и Арктики, что составит основу научно-обоснованного подхода к разработке дизайна и технологий создания неметаллической арматуры для строительных конструкций зоны экстремально холодного климата. Степень реализации и основные технико-эксплуатационные показатели. Получены порошки природного наноалмаза со средним размером наночастиц ≈24 нм, разработан метод очистки и функционализации поверхности наноалмазных частиц, экспериментально подтверждена его эффективность. Отработаны рецептурно-технологические параметры и методом пултрузии изготовлены стекло-, базальтопластиковые стержни с механическими свойствами на уровне свойств промышленно выпускаемой композитной арматуры, что является обоснованием перспективности использования экспериментальных стержней для последующего проведения натурных климатических испытаний в целях изучения их климатической стойкости. Области применения: упрочнение контактных поверхностей узлов трения; накопление поврежденности и оценка предельного состояния металла техники и конструкций при эксплуатации; металломатричные и полимерные композиционные материалы для работы в экстремальных условиях. Прогнозные предположения о развитии объектов исследования: трибоповерхности для работы деталей техники и оборудования при повышенных контактных нагрузках; идентификация реальной поврежденности металлических материалов на относительно ранних стадиях разрушения; алмазосодержащие инструментальные и конструкционные материалы, композитные материалы нового поколения для экстремальных природно-климатических условий Севера и Арктики.