Новые технологии получения и дизайна структуры материалов для современной энергетики: новые сплавы, керамики и структуры

Целью проекта является разработка научных основ новых способов создания нано- и микроструктурированных неорганических материалов (металлы, сплавы, керамики, тонкопленочные наноструктуры, квантовые точки), получаемых с использованием современных технологий синтеза. Разрабатываемые материалы могут быть использованы в различных отраслях энергетики (ядерная энергетика, электроэнергетика, альтернативная энергетика). Проект реализуется по двум основным направлениям: - новые способы модификации (дизайна) структуры материалов для термоэлектрических источников энергии на базе полупроводниковых наноструктурированных функциональных материалов, получаемых методами МОС-гидридной и молекулярно-лучевой эпитаксии; - объемные конструкционные нано- и микроструктурированные материалы (металлы, сплавы, керамики) для ядерной энергетики и электроэнергетики. В рамках работ по направлению «Новые способы модификации (дизайна) структуры материалов для термоэлектрических источников энергии на базе полупроводниковых наноструктурированных функциональных материалов, получаемых методами МОС-гидридной и молекулярно-лучевой эпитаксии» будут решены следующие задачи: 1. Теоретический анализ термоэлектрического эффекта в вырожденных полупроводниках с высокой плотностью локализованных состояний в запрещённой зоне, обусловленной присутствием массивов квантовых точек. Поиск условий усиления коэффициента Зеебека за счёт термогенерации носителей, локализованных на этих состояниях. 2. Исследование термоэлектрических характеристик сформированных лабораторных образцов, сопоставление результатов с данными теоретического моделирования. Совершенствование лабораторной технологии для получения наилучшей комбинации термоэлектрических характеристик. 3. Разработка лабораторных технологий и формирование лабораторных образцов многослойных массивов самоорганизованных квантовых точек InAs/GaAs и Ge/Si с высоким уровнем легирования для применения в качестве термоэлектрических преобразователей энергии. Решение поставленных в проекте задач позволит получить общие сведения и разработать общую теорию термоэлектрического эффекта в полупроводниковых материалах в присутствии массива самоорганизованных квантовых точек. Указанные объекты представляют собой принципиально иную систему, чем те, что рассматриваются в подавляющем большинстве работ: туннельно-связанные, упорядоченные, однородные по размерам. В рассматриваемой нами системе туннельная связь между отельными квантовыми точками не является обязательным условием, нанокластеры разных размеров по площади подложки распределены случайно, а закономерности самоорганизации определяют закономерности в статистическом распределении массивов квантовых точек по размерам. Поэтому в предлагаемых к исследованию структурах реализуется принципиально новая физика термоэлектрического эффекта, для изучения которой требуется применение новых аналитических методик, согласованное со структурными исследованиями и измерениями термоэлектрических характеристик. Благодаря рассмотрению двух принципиально разных систем: на основе полупроводников A3B5 и А4, будут найдены общие закономерности в модуляции эффекта Зеебека за счёт введения квантовых точек с неоднородным распределением по размерам. В качестве практического результата решения поставленной в проекте задачи можно назвать отыскание технологических способов для усиления коэффициента Зеебека и общего повышения коэффициента ZT, подобный результат может быть использован при построении плёночных термоэлектрических батарей повышенной эффективности. В рамках работ по направлению «Объемные конструкционные нано- и микроструктурированные материалы (металлы, сплавы, керамики) для ядерной энергетики и электроэнергетики» будут решены следующие задачи: 1. Разработка новых конструкционных нано- и микроструктурированных керамик для атомного машиностроения и ядерной энергетики с повышенной прочностью, твердостью и износостойкостью. Для получения керамик будет использована технология высокоскоростного электроимпульсного («искрового») плазменного спекания, представляющая собой новый метод высокоскоростного горячего прессования. В рамках проекта будут получены новые научные знания о механизмах высокоскоростного спекания нано- и микроструктурированных оксидов, нитридов и карбидов, а также композитов на их основе. Будут проведены исследования влияния параметров нано- и микроструктуры керамик на их физико-механические и эксплуатационные характеристики. Результаты экспериментальных исследований будут сопоставлены с результатами компьютерного моделирования методом конечных элементов. 2. Создание высокопрочных микролегированных нано- и микроструктурированных медных сплавов для электроэнергетики, обладающих высокой прочностью, электропроводностью и сверхдлительной термической стабильностью. Для получения медных сплавов будут использованы технологии индукционного литья, ротационной ковки и равноканального углового прессования. Для достижения поставленной цели будут проведены исследования влияния легирующих элементов и частиц второй фазы на скорость миграции границ зерен при отжиге, скорость зернограничного проскальзывания и деформационно-стимулированного роста зерен в мелкозернистых сплавах, изучены механизмы деформации и разрушения новых медных сплавов, в том числе - механизмы сверхпластичности, износа и ползучести. Полученные экспериментальные результаты будут сопоставлены с результатами теоретических расчетов и компьютерного моделирования. 3. Разработка лабораторных технологических процессов изготовления высокопрочных нано- и микроструктурированных материалов и изделий из них для перспективных приложений в ядерной энергетике, атомном машиностроении и электроэнергетике.