Разработка многофазных композиционных материалов на основе трех-периодических поверхностей, теоретическое и экспериментальное исследование их механических свойств

Одним из основных направлений исследований в области создания композиционных материалов является метод получения т.н. композитов на основе взаимопроникающих фаз (КВФ, по-английски IPC). Основой КВФ являются пористые или ячеистые макроскопические структуры различной геометрии и топологии, в которых матрица (каркас) изготавливаются из одного материала (фазы), а полости или поры заполняются другими материалами (другими фазами). Новые перспективы в использовании таких композитных материалов открываются с развитием аддитивных технологий высокого разрешения, которые позволяют изготавливать композиты из материалов, плохо сочетаемых, например, в процессе литья. Особый интерес в связи с КВФ вызывают трех-периодические пористые структуры, построенные на базе соответствующих трех-периодических (ТПП), в том числе минимальных (ТПМП) поверхностей. Наличие двух систем непересекающихся пор и каркаса конечной толщины, который их разделяет, открывает широкие возможности по разработке 2-х и 3-х фазных КВФ. Моделированию ранее неизвестных пористых структур на основе атомных сеток метал-органических каркасов (МОК, по-английски MOF), методами, развитыми ранее участниками проекта, получению на их базе 2-х и 3-х фазных КВФ, а также теоретическому и экспериментальному исследованию их механических свойств и посвящен представленный проект. Отметим, что в активно ведущихся в настоящее время исследованиях механических свойств пористых структур. Заявка № 25-23-00123 Страница 3 из 37и КВФ на их основе используется только весьма ограниченный ряд ТПП, что существенно затрудняет исследования и разработки в этом направлении. Безусловно, получение новых трех-периодических пористых структур и КВФ существенным образом продвинет мировые исследования в этой области материаловедения. Проект носит междисциплинарный и комплексный характер. Он сочетает тополого-геометрические методы, методы кристаллохимии, методы сглаживания поверхности с учетом минимизации ее кривизны, методы компьютерного моделирования механических свойств макроскопических пористых объектов и композитов, аддитивные технологии для изготовления опытных образцов и экспериментальное исследование их механических свойств. Научная новизна поставленных в проекте задач и планируемых результатов обусловлена новизной объектов исследования, а также новизной и оригинальностью методов их получения. В проекте будут сгенерированы новые ТПП/ТПМП с различными пространственными группами и топологиями, что будет существенным вкладом в теорию трёх-периодических минимальных поверхностей. Для генерации ТПП/ТПМП будет использован развитый нами ранее оригинальный метод построения таких поверхностей. Он основан на построении периодических сеток для известных кристаллических структур, формировании на основе этих сеток разбиений (тайлингов) пространства и генерации всех возможных фасеточных представлений ТПП из полученных тайлингов, из которых после процедуры сглаживания получаются ТПП/ТПМП. На основе полученных поверхностей будут построены новые пористые каркасы со стенками конечной толщины и двумя системами непересекающихся пор. Планируется найти корреляции между топологогеометрическими и механическими свойствами построенных структур. На их базе будут смоделированы КВФ путём комбинации различных веществ каркаса и заполнителей одной или обеих пор (полимеры: PLA, ABS, PET, Nylon, TPU и Polycarb; металлы и сплавы на основе алюминия, меди и нержавеющей стали; керамика). Образцы для натурных экспериментов будут изготовлены методами аддитивного производства. В результате предполагается получить оптимальные для использования в инженерных приложениях пористые материалы и КВФ. В проекте будет использован многолетний опыт и компетенции участников проекта в моделировании свойств материалов на различных пространственных масштабах и в экспериментальном исследовании их механических свойств. Проект является естественным продолжением исследований научного коллектива в новой для него области моделирования КВФ.