Сверхвысокотемпературные армированные композиты: новые подходы к формированию и отклик на экстремальное воздействие потоков энергии

Сверхвысокотемпературная керамика - материалы, представленные семейством боридов и карбидов переходных металлов 4-6 группы. Они обладают рядом исключительных свойств (высокими температурами плавления, абляционной устойчивостью, хорошей теплопроводностью), что делает их кандидатами первого ряда при разработке нового поколения энергетических систем, призванных работать в условиях экстремальных воздействий энергетических потоков, механических нагрузок, окислительной среды, радиации. Несмотря на то, что в последнее двадцатилетие материаловедческое сообщество сильно продвинулось в методах получения сверхвысокотемпературной монолитной керамики с достаточно устойчивым поведением в экстремальных условиях, несколько "горячих" проблем остаются нерешенными. Первая острая проблема связана с плохой трещиностойкостью монолитной керамики и связанной с этим необходимостью формирования сверхвысокотемпературных материалов в виде композита (UHTCMC), армированного непрерывными волокнами. Это оправдывало бы назначение таких материалов как конструкционных: они демонстрировали бы не только механическую прочность, но и трещиностойкость. Существующие в настоящее время примеры получения таких композитов очень сложны, плохо управляемы и не технологичны. Вторая проблема связана с оценкой поведения сверхвысокотемпературной керамики вообще и композитов в частности в условиях множественных экстремальных воздействий, из которых воздействие теплового потока оказывается решающим. Исследования в этом направлении носят фрагментарный характер, а сопоставление результатов, полученных разными группами, затруднительно, не в последнюю очередь из-за отсутствия всесторонней аттестации падающего теплового потока. Проект будет направлен на разработку принципа формирования новых объектов исследования - сверхвысокотемпературных композитов на основе диборидов/карбидов циркония, гафния и вольфрама, армированных непрерывными углеродными волокнами, и исследованию отклика таких композитов на воздействие высокоэнергетического потока энергии. Главной особенностью нового подхода будет стадия формирования гибких керамических препрегов, выложенных из пропитанной керамической суспензией углеродной нити. Достижение этой цели будет осуществляться через решение ряда новых фундаментальных задач: (i) исследование закономерностей формирования устойчивых во времени многокомпонентных керамических суспензий из тугоплавких соединений и исследование их реологических свойств; (ii) обоснованный выбор экспериментальных параметров всех стадий приготовления композитов на основе сопоставления данных по плотности, микроструктуре, фазовому составу и механическим свойствам конечных композитов, с одной стороны, и данных по реологии исходных суспензий, с другой стороны. Впервые будет изучен отклик полученных новых композитов на тепловой удар, вызванный воздействием всесторонне аттестованного лазерного излучения, электронного пучка, электродуговой плазмы. Поставленные научные задачи пока еще не нашли своего рационального решения в современном материаловедении. Фундаментальным результатом проекта станет: (i) строгое научное обоснование нового принципа формирования сверхвысокотемпературных керамических композитов с матрицами на основе тугоплавких боридов и карбидов; (ii) исследование отклика широкой палитры композитов на определенный вид энергетического воздействия, а также отдельного вида композитов на различные виды энергетического воздействия. Это позволит сделать обоснованный выбор композитов для решения материаловедческих задач двигателестроения и ядерной энергетики. Практическим результатом проекта станет изготовление образцов композитов, полученных новаторским методом, отличительными чертами которого будут масштабируемость, простота исполнения, вариативность, управляемость, воспроизводимость, и рекомендации по их изготовлению производителям, занятых в области ядерной энергетики и двигателестроения.