Новые композитные материалы и защитные покрытия на основе 3D пористых структур корунда, заполненных вольфрамом или карбидами вольфрама, обладающие повышенной устойчивостью в газовых и плазменных потоках с высокой энергией

Данный проект объединяет два направления фундаментальных исследований, которые активно развиваются в ИФХЭ РАН: 1. - изучение механизма формирования и роста на поверхности жидкометаллических сплавов алюминия высокопористых оксидных 3D наноструктур, исследования физико-химических и структурно-фазовых свойств 3D наноматериалов, развитие новых методов и способов получения оксидных функциональных наноматериалов и нанокомпозитов. Феномен образования высокопористых оксидов с волокнистой структурой при окислении поверхности сплава Hg(Al) впервые был описан H. Wislicenus в 1908 году, тем не менее, механизм формирования и роста нанофибрилл из оксигидроксидов алюминия, образующих пространственную 3D сетку высокопористого монолитной наноструктуры, до настоящего времени остается не выясненным и изучен недостаточно. Механизм формирования и роста монолитных высокопористых оксидных 3D наноструктур, образующихся, как на поверхности расплава металлического алюминия (NAFEN), так и на поверхности жидкометаллических растворов Me(Al) (Me = Hg, Ga, In, Bi, Pb) в газовой среде содержащей пары воды, остаётся не решённой научной проблемой фундаментального характера. В настоящее время лидирующие позиции в изучении методов синтеза высокопористых монолитных наноструктур на основе оксигидроксидов алюминия занимают лаборатории в следующих организациях: 1. Институт физической химии и электрохимии им. А.Н.Фрумкина РАН (руководитель работ А.Н. Ходан); 2. ГНЦ РФ – Физико-энергетический институт им.А.И.Лейпунского (Директор направления Р. Ш. Асхадуллин); 3. Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux - LSPM, UPR3407 CNRS, Франция (руководитель работ A.Kanaev). Второе направление фундаментальных исследований – развитие методов гетерогенного синтеза тугоплавких систем, которое является традиционным для ИФХЭ РАН, и продолжает развивается под руководством к.х.н. В.В.Душика. В настоящее время накоплен многолетний опыт в изучении особенностей протекания реакций газофазного осаждения и химической газофазной инфильтрации, условий осаждения и кинетики формирования слоев и покрытий из W, WCx, Nb, Ta и TaCx, обладающих заданной структурой, плотностью и адгезией к поверхности осаждения. В рамках данного проекта особое внимание будет уделено вопросам пропитки высокопористых наноструктур из оксигидроксида алюминия методом химического осаждения из газовой фазы, исследование фундаментальных закономерностей химического синтеза и структурообразования тугоплавких систем внутри высокопористых керамических каркасов и разработку эффективных подходов к созданию новых композиционных материалов. Главной прикладной целью настоящего проекта является развитие уже имеющихся "ноу–хау" и разработка новых методов синтеза 3D материалов и покрытий, обладающих повышенной устойчивостью в газовых и плазменных потоках с высокой энергией. Решение задачи по созданию новых композитных материалов на основе оксидных 3D матриц корунда (Al2O3), свободное пространство которых заполнено W, либо WCx, предусматривает два этапа: 1 этап: Синтез пористых 3D матриц на основе гамма-, тета- и альфа- фаз оксидов алюминия, обладающих заданными параметрами 3D структуры: объемная плотность, величина отрытой пористости, химический и фазовый состав. (Будет использована Лабораторная технология ИФХЭ РАН). 2. этап: Осаждение металлического вольфрама или карбидов вольфрама в оксидную 3D матрицу и заполнение свободного пространства в пористой 3D оксидной матрице методом газофазного осаждения. Адаптация условий нагрева материала для обеспечения необходимой локализации протекания реакции, условий подачи газовой смеси (скорость потока, давление, состав смеси, непрерывный и импульсный режимы подачи). Основной задачей данного этапа работы является получение компактного композиционного материала, состоящего из 3D каркаса Al2O3, заполненного частично или полностью металлическим W или металлокерамическим W/WCx. (Будет использована Лабораторная технология осаждения металлического вольфрама и карбидов вольфрама ИФХЭ РАН). Изучение физико-механических и теплофизических свойств, синтезированных 3D материалов и покрытий, является задачей 3 этапа работ и будет проводиться специалистами НИИ "Нанотехнологии и наноматериалы" ТГУ им. Г. Р. Державина, с использованием оригинальных научно-методических разработок и оборудования. Особое внимание будет уделено: 1. Изучению кинетических теплофизических характеристик (теплопроводность, температуропроводность) композитных материалов и защитных покрытий на основе пористых корундовых 3D матриц, заполненных вольфрамом или карбидами вольфрама оригинальными, запатентованными методами импульсного лазерного нагрева и анализа картин нестационарной термографии, разработанными в НИИ "Нанотехнологии и наноматериалы" ТГУ имени Г.Р. Державина; 2. Изучению физико-механических свойств и влияние на них условий синтеза и температуры отжига композитных материалов и защитных покрытий на основе пористых корундовых 3D матриц, заполненных вольфрамом или карбидами вольфрама в нано- и микрошкале методами непрерывного инструментального наноиндентирования; 3. Проведению исследований методами термоактивационного анализа; 4. Анализу экспериментальных результатов с целью выявления доминирующих микромеханизмов деформирования и их влиянию на размерные эффекты в механических свойствах при локальном нагружении новых разрабатываемых материалов и покрытий. Сотрудничество ведущих учёных ИФХЭ РАН и НОЦ "Нанотехнологии и наноматериалы" ТГУ им. Г. Р. Державина позволит развить имеющиеся лабораторные технологии синтеза новых высокотемпературных материалов, изучить влияние условий синтеза нанокомпозитов на их физические, механические и теплопроводные свойства, оптимизировать их сочетание для улучшения их эксплуатационные характеристик. Реализация работ по проекту будет полезной для поиска решения сложной и актуальной проблемы: создание новых высокотемпературных материалов, обладающих повышенной устойчивостью в газовых и плазменных потоках с высокой энергией. Выполнение исследований по программе проекта послужит дальнейшему развитию уже имеющихся "ноу–хау", а также позволит продолжить поиск новых методов и способов создания наноматериалов и композитов с улучшенными рабочими характеристиками.