звіти
http://library.ipms.kiev.ua/handle/123/109
2024-03-14T19:27:01ZЗвіт про науково-дослідну роботу: „Розробка та дослідження покриттів на основі квазікристалічних, багатокомпонентних сплавів та наноструктурних нітридних сполук, отриманих за допомогою високошвидкісного повітряно-паливного нанесення та під дією концентрованого світлового випромінювання”
http://library.ipms.kiev.ua/handle/123/442
Звіт про науково-дослідну роботу: „Розробка та дослідження покриттів на основі квазікристалічних, багатокомпонентних сплавів та наноструктурних нітридних сполук, отриманих за допомогою високошвидкісного повітряно-паливного нанесення та під дією концентрованого світлового випромінювання”
Керівник роботи: Фролов Генадій Олександрович, д.т.н.,(Email: g.frolov@nbi.com.ua)
Тема включає три порівняно самостійних завдання, які пов’язані з використанням техніки конвективного та радіаційного нагріву для визначенням теплозахисних властивостей матеріалів, нанесення покриттів за допомогою високошвидкісних високотемпературних пальників, отримання наноструктурних порошкових матеріалів різного складу та архітектури з використанням концентрованого світлового випромінювання (КСВ).
Мета роботи – розробити технологію нанесення покриттів з квазікристалічних порошків системи Al-Fe-Cu, розробити методику визначення теплофізичних характеристик покриттів в діапазоні робочих температур, визначити питому теплоємність та коефіцієнт ефективної теплопровідності покриттів, провести випробування на визначення термоерозійної стійкості матеріалу покриття при робочих температурах; розробити високотемпературні технології, в тому числі отримання наноструктурних порошкових матеріалів різного складу з використанням концентрованих джерел енергії, вдосконалити технології одержання багатокомпонентних сплавів та покриттів методом самопоширюваного високотемпературного синтезу за допомогою концентрованої світлової енергії.
Методи дослідження радіаційний і конвективний нагрів, випробування при високих температурах, металографічний, мікрорентгеноспектральний, рентгеноструктурний і інші аналізи і дослідження.
В результате виконання першого розділу методом високошвидкісного повітряно-паливного напилення отримані покриття складу Al-Cu-Fe(Sc). Встановлено, що їх пористість на підкладках зі сталі, сплавів алюмінію та титану становила 4–8 %, адгезійна стійкість, яка встановлена штифтовим методом, достигає 30 МПа. Якість цих покриттів за комплексом властивостей є найвищою серед усіх покриттів цього складу, представлених у спеціальній літературі. По другому розділу встановлено, що діелектрик нітриду бору і композиційні порошки на його основі проявляють магнітні властивості завдяки присутності в структурі нескомпенсованих зв’язків, що викликані нанорозмірністю та дефектністю структури. В третьому розділу вдосконалені варіанти технологій одержання багатокомпонентних і МАХ-матеріалів та МАХ-покриттів, які знайдуть застосування в незабезпечених електроенергією районах Землі, у відкритому космічному просторі та на поверхні Місяця.
Ключові слова: ВИСОКОШВИДКІСНЕ КИСНЕВО-ТА ПОВІТРЯНО ПАЛИВНЕ НАПИЛЕННЯ , РАДІАЦІЙНИЙ НАГРІВ, ТЕРМОСТІЙКІСТЬ, КВАЗІКРИСТАЛІЧНІ ПОКРИТТЯ, ВИСОКОЕНТРОПІЙНІ СПЛАВИ .
Скорочений зміст висновків рецензентів.
Виконано літературний огляд з якого слідує, що останнім часом в світі інтенсивно ведуться роботи, щодо підвищення коефіцієнту корисної дії двигунів внутришнього згоряння за рахунок підвищення робочої температури продуктів згоряння, що потребує теплового захисту робочих поверхонь поршнів; при виконанні теми встановлено, що найбільш якісні квазікристлічні покриття системи Al-Fe-Cu отримані пальником ГВО 2РВ з витратним керуванням параметрами потоку на режимі праці з тиском в камері згоряння 1,2 МПа та використанням порошку розміром 20-80 мкм. Крім того, вказано, що для ДП «КБ «Південне» найбільш інтерес представляє виготовлення стенда для проведення високотемпературних випробуваннях матеріалів у дозвукових потоках продуктів згоряння пропан-кисневої паливної суміші при температурах до 2300 °С, на якому в даний час проводяться випробування ВККМ та високотемпературних теплоізоляційних матеріалів ZYF-150 та Zircar AB.
Тема включає три порівняно самостійних завдання, які пов’язані з використанням техніки конвективного та радіаційного нагріву для визначенням теплозахисних властивостей матеріалів, нанесення покриттів за допомогою високошвидкісних високотемпературних пальників, отримання наноструктурних порошкових матеріалів різного складу та архітектури з використанням концентрованого світлового випромінювання: в першому розділі розглядається отримання та дослідження квазікристалічних систем Al-Fe-Cu покриттів, які відрізняються низкою теплопровідностю і можуть застосовуватися у якості термобар’єрних. Однак, як встановлено, що по-справжньому високоякісні покриття з цього матеріалу досі отримано не було; в другому розділі завдяки своїм спектральним властивостям композиційні нанопорошки на основі BN представляють інтерес для підприємств, що розробляють високошвидкісні оптико-електронні прилади, що працюють у видимій і ультрафіолетовій діапазонах електромагнітного спектру; в третьему розділі вдосконалені варіанти технологій одержання багатокомпонентних і МАХ-матеріалів та МАХ-покриттів, які знайдуть застосування в незабезпечених електроенергією районах Землі, у відкритому космічному просторі та на поверхні Місяця.
Пропозиції про подальше використання результатів роботи.
При виконанні теми III-13-21 були отримані результати, які будуть використовуватися при розробці захисних покриттів виробів, що працюють при високих температурах. Проте враховуючи, що крім уже розглянутих завдань з'явилася необхідність розглянути використання матеріалів, що розробляються, у вузлах тертя та теплових трубах, також призначених для роботи в елементах "виробів ракетно-космічної техніки. Тому запропоновано авторами тему під назвою "Розробка та дослідження у високотемпературних, високошвидкісних газових потоках продуктів згоряння та при радіаційному нагріві нових конструкційних матеріалів та покриттів теплозахисного та триботехнічного призначення для аерокосмічної техніки", виконання якої заплановано на 2024-2026 роки.
2023-01-01T00:00:00ZЗвіт про науково-дослідну роботу: „ Дослідження закономірностей формування зони трибосинтезу в композиційних матеріалах на основі металів і покриттів з них в процесі навантаження тертям при високій температурі”
http://library.ipms.kiev.ua/handle/123/440
Звіт про науково-дослідну роботу: „ Дослідження закономірностей формування зони трибосинтезу в композиційних матеріалах на основі металів і покриттів з них в процесі навантаження тертям при високій температурі”
Керівник роботи: Фролов Генадій Олександрович, д.т.н.,(Email: g.frolov@nbi.com.ua)
Об’єкти дослідження − триботехнічні композиційні матеріали на основі заліза і покриття з них.
Мета роботи – дослідження закономірностей формування зони трибосинтезу в композиційних матеріалах на основі заліза і покриттів з них в процесі навантаження тертям при високій температурі. Синтез триботехнічних самозмащувальних композиційних матеріалів та покриттів з них, які призначені для експлуатації на повітрі без мастил з низьким рівнем втрат на тертя при високій (до 500 градусів) температурі навколишнього середовища.
Методи дослідження – металографічний, рентгеноскопічний, триботехнічні випробування матеріалів.
Визначено технологічні параметри синтезу триботехнічного матеріалу на основі заліза для роботи при високої температурі, та залежність триботехнічних характеристик пар тертя від швидкості ковзання і навантаження. Здійснено дослідження фазового составу і структурного стану композиційних матеріалів на основі заліза та вторинних змащувальних плівок, а також взаємодії структурних складових композиційного матеріалу на основі заліза при спіканні за температуру 12000 C. Синтезовано триботехнічні самозмащувальні композиційні матеріали на основі заліза та покриття з них, які містять тверде мастило CaF2. На основі результатів досліджень встановлено, що, матеріали та покриття на основі заліза є перспективними як триботехнічні за умов підвищеної температури та невеликої швидкості ковзання, коли їх коефіцієнт тертя дорівнює 0,19-0,27, а знос в межах 2,2 – 6,0 мг/км.
Ключові слова: САМОЗМАЩУВАЛЬНИЙ КОМПОЗИЦІЙНИЙ МАТЕРІАЛ, ПОКРИТТЯ, ФАЗОВИЙ СКЛАД, СТРУКТУРА, СТРУКТУРНИЙ СТАН, МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ, ШВИДКІСТЬ КОВЗАННЯ, ТИСК, КОЕФІЦІЄНТ ТЕРТЯ, ЗНОС.
Скорочений зміст висновків рецензентів.
Виконавцями теми досліджено структуроутворення самозмащувальних композиційних матеріалів на основі заліза у процесі їх синтезу методами порошкової металургії і покриттів на їх основі. Визначені параметри, при котрих формується структура, яка забезпечує парі тертя триботехнічні характеристики для роботи при високих температурах. Вивчено структурний стан вихідної композиції, і фазовий склад як вихідної композиції, так і яка утворилася під дією процесу тертя.
Визначені діапазони швидкостей ковзання і навантажень триботехнічних випробувань для подальшої оптимізації складу, структурної побудови і технологічних параметрів отримання композиційного матеріалу і покриттів на їх основі. Показано, що трибосинтез на поверхні тертя вторинних плівок з гетерогенною мікроструктурою відповідного фазового складу забезпечує низькі коефіцієнти тертя і знос. Виконана робота та отримані результати мають вагоме значення в області матеріалознавства і заслуговує високої оцінки. Вважаю необхідним подальше продовження науково-дослідних робіт у даному напрямку. (РОЇК Т. А.)
˗ застосовані сучасні методи дослідження структури, структурного стану, механічних характеристик нового матеріалу і синтезованих на поверхні тертя вторинних структур. Вивченні процеси, які відбуваються у поверхневих шарах матеріалу під час тертя під дією тиску Р, швидкості ковзання V, і визначають його триботехнічні та експлуатаційні властивості. Показано, що працездатність пари тертя при наведених умовах роботи забезпечують вторинні структури, синтезовані на поверхні матеріалу при терті.
Пропозиції про подальше використання результатів роботи.
Результати роботи будуть використані для продовження досліджень в рамках фундаментальної відомчої тематики, що дозволить розробити нови триботехнічні матеріали для роботи при високих температурах та покриття з них.
2023-01-01T00:00:00ZЗвіт про науково-дослідну роботу: «Розробка наукових засад створення паливних елементів на основі нових каталізаторів та протонпровідних елементів»
http://library.ipms.kiev.ua/handle/123/423
Звіт про науково-дослідну роботу: «Розробка наукових засад створення паливних елементів на основі нових каталізаторів та протонпровідних елементів»
Керівник роботи: Щур Дмитро Вікторович, к.х.н., (Еmail:shurzag@ipms.kiev.ua)
ОБ'ЄКТ ДОСЛІДЖЕННЯ: каталізаторовміщуючі вуглецеві наноструктури.
Головною метою завершеного проекту було створення дослідних зразків паливного елемента з електродами нового покоління: що використовують в якості носія каталізатора вуглецеві наноматеріали, або зовсім не мають металевої складової, що будуть мати суттєво меншу вартість та відповідно, кращу конкурентну спроможність.
Відповідно до технічного завдання:
1. Відпрацьовано технології синтезу вуглецевих наноструктур з розвиненою поверхнею у різних технологічних умовах трьома методами (в різних середовищах, в присутності каталізаторів і легуючих добавок, та інше) для створення електродів ПЕ;
2. Отримано Me-C композити з розвиненою поверхнею, де метал каталізатор знаходиться на поверхні вуглецевих наноструктур у вигляді островкових плівок шаром завтовшки декілька атомних монослоїв. Це зменшує витрати каталізатору;
4. Запропоновано більш дешеві каталізатори з графену, легованого азотом в порівнянні з металами платинової групи;
5. Відпрацювано методи нанесення електродів на твердополімерні мембрани електрохімічним методом та вивчено їх робочі характеристики;
6. Розглянуто застосування отриманих матеріалів як електрокаталізаторів для відновлення кисню в паливному елементі;
7. Створено пілотний зразок твердополімерного ПЕ та досліджено його експлуатаційні характеристики;
8. Проведено порівняння робочих характеристик отриманих матеріалів із комерційними Pt/C електрокаталізаторами.
КЛЮЧОВІ СЛОВА: ПАЛИВНИЙ ЕЛЕМЕНТ, ВУГЛЕЦЕВІ НАНОСТРУКТУРИ, ЕЛЕКТРОДУГОВИЙ СИНТЕЗ В РІДИНІ, КАТАЛІЗАТОРОВМІЩУЮЧІ ВУГЛЕЦЕВІ НАНОСТРУКТУРИ.
СКОРОЧЕНИЙ ЗМІСТ ВИСНОВКІВ РЕЦЕНЗЕНТІВ.
В роботі проведено дослідження особливостей механізму утворення вуглецевих наноструктурних матеріалів трьома методами: піролізом вуглеводнів; дуговим випаровуванням графіту в газовому середовищі та дуговим синтезом в рідкому середовищі. Показано, що в даний час найбільш продуктивним і поширеним способом виробництва каталізаторвміщуючих вуглецевих наноструктур є електродуговий процес, тому, що він досить простий для введення атомів в плазму з твердих речовин і газів; його продуктивність найвища серед інших способів; він дає широкий спектр отримуваних видів металвуглецевих нанокомпозитів. Відпрацьовано методи нанесення електродів на твердополімерні мембрани електрохімічним методом та вивчено їх робочі характеристики. Розглянуто застосування отриманих матеріалів як електрокаталізаторів для відновлення кисню в паливному елементі. Створено пілотний зразок твердополімерного паливного елементу та досліджено його експлуатаційні характеристики. Проведено порівняння робочих характеристик отриманих матеріалів із комерційними Pt/C електрокаталізаторами.
ПРОПОЗИЦІЇ ПРО ПОДАЛЬШЕ ВИКОРИСТАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ РОБОТИ.
Метод дугового синтезу в газовій фазі є єдиним рентабельним для синтезу сферичних молекул.
2022-01-01T00:00:00ZЗвіт про науково-дослідну роботу: „ Фізико-хімічні та технологічні основи отримання високотемпературної кераміки та in-sity композитів на базі безкисневих тугоплавких сполук для авіа-космічної техніки та газотурбінних двигунів ”
http://library.ipms.kiev.ua/handle/123/397
Звіт про науково-дослідну роботу: „ Фізико-хімічні та технологічні основи отримання високотемпературної кераміки та in-sity композитів на базі безкисневих тугоплавких сполук для авіа-космічної техніки та газотурбінних двигунів ”
Керівник роботи: Григор'єв Олег Миколайович, д. ф.-м. н., чл.-кор. НАНУ, (Email:oleggrig@ipms.kiev.ua)
Загальна мета наукових досліджень: Дослідження впливу технологічних параметрів отримання і складу кераміки на зернограничну міцність матеріалу та визначення кореляційних співвідношень між зернограничною міцністю та комплексом механічних і службових властивостей кераміки. Розробка складів та технології гарячого пресування ультра-високотемпературної кераміки на основі бориду цирконію для високотемпературних вузлів та деталей ГТД і літальних апаратів, схильних до окиснення та ерозії у високотемпературних газових потоках.
Згідно з технічним завданням проекту загальна ціль за проектом була розбита на конкретні завдання:
1. Виконати систематичні вимірювання зернограничної міцності в композиційній ультрависокотемпературній кераміці на основі бориду цирконію з вирішенням основної матеріалознавчої проблеми- структурне конструювання нових матеріалів, та їх отриманням з наперед заданими властивостями. Ця проблема була вирішена вперше в світі при розробці, виготовленні та випробуванні нового приладу для вивчення властивостей кераміки та інших крихких матеріалів з записом кривих втілення P-h при навантаженнях до 1000 Н з розвитком комплексних методів вимірювання зернограничної міцності композиту з подальшим встановленням кореляційних взаємозв’язків між зернограничною міцністю і комплексом механічних і службових властивостей кераміки (глава 1 звіту).
2. Основні зусилля щодо розробки складів та технологій виготовлення УВТК були спрямовані на розробку зернистих композитів ZrB2-MoSi2 для яких були розроблені технології низькотемпературного швидкісного спікання, що дозволяє суттєво знизити витрати на виготовлення. Кераміка має найвищий опір окислення при високих температурах і опір повзучості багато більшим, в порівнянні з базовою УВТК на основі системи ZrB2-SiC. (глава 2 звіту). Було виявлено, що первинне завдання розробити армовані композити бориду цирконію – волокнисті матеріали на основі карбіду кремнію та вуглецю виявилося не перспективним через інтенсивну взаємодію волокон карбіду кремнію та вуглецю.
3. Завдання розробити склади і технології отримання покриттів на основі УВТК на високотемпературних конструкційних металах і сплавах, високотемпературній кераміці, армованому конструкційному графіті та волокнистих композитах вуглець/вуглець була вирішена з використанням в якості покриттів з УВТК кераміки 60ZrB2 + 20SiC + 20AlN (глава 3 звіту). Завдання забезпечення працездатності в агресивних середовищах як ультрависокотемпературної кераміки, так і покриттів з неї було вирішено шляхом розробки нової захисної системи ZrB2-SiC-AlN, за рахунок утворення на поверхні захистних мулітних покриттів (глава 3)
Отримані результати:
1. Вперше у світовій практиці досліджень розроблено та виготовлено прилад для вимірювання макротвердості крихких матеріалів з навантаженнями до 1000 Н із записом кривих навантаження-розвантаження P-h та з вимірюванням міцносних властивостей кераміки (міцність зерногранична, на стиск та розтягування, тріщиностійкість). Прилад був випробуваний та використаний для атестації ряду керамічних матеріалів, у тому числі броньових на основі карбідів кремнію та бору.
2. Виконано комплексне дослідження керамічних матеріалів на основі карбідів кремнію (з 4 об.% SiC) та бору(з 8 об.% B4C) в умовах контактної взаємодії при проникненні індентерів Віккерса. Дослідження проведено як на основі аналізу розмірів відбитків та областей руйнування в контактній зоні при навантаженнях до 500 Н, так і за кривимипроникнення P-h за допомогою спеціально розробленого твердоміра з максимальним навантаженням до 1000 Н
3. Виявлено, що показники опору проникнення двох матеріалів близькі при навантаженнях до 100 Н. Зі збільшенням навантажень до 1000 Н опір проникнення карбіду кремнію значно вищий, ніж у карбіду бору, що обумовлено різницею їх величин контактной прочности. Карбід кремнію має менший рівень контактної міцності на розтяг, зернограничної міцності і тріщиностійкості, ніж карбід кремнію. Це призводить до інтенсивного розтріскування матеріалу та ефективного стискання його в ядрі під індентером. В результаті збільшується робота проникнення, межа міцності при стиск та макротвердість кераміки.
4. У карбіді бору більш високі контактна міцність на розтяг, зерногранична міцність і тріщиностійкість обмежують мікророзтріскування кераміки, менша пластичність карбіду бору ускладнює ущільнення більш великомасштабних фрагментів в ядрі і в результаті знижуються питома робота проникнення і контактна міцність на стиск і опір проникненню (твердість).
5. Прилад індентування при високих навантаженнях на індентер із записом кривих проникнення Р-h та нові методи розрахунку характеристик контактної міцності кераміки можуть бути використані в матеріалознавстві для розробки та атестації крихких ударо- та зносостійких матеріалів та в інших сферах застосування.
6. Вперше розроблено нову технологію ГП УВТК в атмосфері СО. Атмосфера СО призводить до високого вмісту С та в умовах рідкофазного спікання кераміка характеризується повною відсутністю первинних фаз та утворенням матричних структур із твердих розчинів на основі бориду цирконію Zr(B,C)2,(Zr,Mo)B2, (Z,Mo)(B,C)2] з включеннями вторинних боридів молібдену, карбідів кремнію та цирконію.
7. Підвищенні температури ГП ZrB2–MoSi2 супроволжується різким зміненням кінетики ущальнення - від параболічних кривих при T < 1600 °C за час спікання ~15 хв. до кривих з різким перегибом при T > 1600 °C з досягненняи щвльності близькї до теоретичної за час порядку 2 хв. Швидкісні режими ущільнення обумовлені екзотермічними фазовими перетвореннями, що значно підвищують реальну температуру дифузійних зонах взаємодій фаз.
8. Розроблена нова технологія низькотемпературного швидкісного спікання УВТК фактично протікає структурними механізмами, аналогічними розвиваються при СВС-процесах.
9. При температурах ГП 1850–2150 °C розвиваються процеси повзучості, досягається компактний стан зразків з утворенням однорідних за обсягом зерен твердих розчинів на основі ZrB2. Кераміка із вихідних компонентів ZrB2–МoSi2 має найвищий опір повзучості в порівнянні з базовою ZrB2–SiC та ін.
10. Вивчено структуроутворення при окисненні плазмового покриття складу (мас.%) 60ZrB2 + 20SiC + 20AlN в режимі термоциклювання (2000оС, 2 хв, 15 циклів). На поверхні утворюється мулітний твердий розчин складу Al2SiO5, що містить сфероїдізіровані частки m-ZrO2, розміром 1...2 мкм. На поверхні цього шару утворюється тонка захисна плівка твердого розчину мулліту SiO2-Al2O3 товщиною декілька мкм, що є ефективним захисним бар'єром для дифузії кисню в об’єм зразка до температур ≤.1900оС.
11. Нова захистна мулітна система яка забезпечує захист від окислення кераміки плазмового покриття системи ZrB2-SiC-AlN до високотемпературної корозії до температур ≥ 1900°С і є більш стійкою порівняно з захисною системою, що використовується у світі, на основі SiO2.
КЛЮЧОВІ СЛОВА: УЛЬТРАВИСОКОТЕМПЕРАТУРНА КЕРАМІКА, СТРУКТУРА, МІЦНІСТЬ, диборид циркония, карбід хрома, карбід бора, спікання під тиском в вакуумі, кінетика ущільнення.
СКОРОЧЕНИЙ ЗМІСТ ВИСНОВКІВ РЕЦЕНЗЕНТІВ.
Робота, що рецензується, присвячена вивченню процесів фазо- та структуроутворення композиційної кераміки евтектичних систем на основі тугоплавких боридів в умовах спікання та термомеханічних впливів для одержання матеріалів з оптимальною структурою та підвищеними фізико-механічними властивостями, стійких у агресивних середовищах. В рамках проекту досліджено закономірності активованого спікання ультрависокотемпературної кераміки (УВТК) систем ZrB2-MoSi2 та ZrB2-B4C, структуроутворення при нанесенні та формуванні властивостей покриттів з УВТК, а також розвинено нові методи атестації крихких матеріалів індентуванням при високих навантаженнях. Загалом, отримані результати значно розширюють уявлення про властивості УВТК та покриттів на основі бориду цирконію. Робота, що представляється на рецензію, є завершеним дослідженням, виконана із застосуванням сучасних методів досліджень і заслуговує високої оцінки. Звіт рекомендується для затвердження
ПРОПОЗИЦІЇ ПРО ПОДАЛЬШЕ ВИКОРИСТАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ РОБОТИ.
Дослідження виконувались з кінцевим прикладним завданням - розробити склади ультрависокотемпературної кераміки та технології її отримання відповідно до технічних завдань організацій України. Матеріали можуть бути використанні для авіакосмічної промисловості (КБ «Южное») для носових обтікачів і гострих кромок гіперзвукових літальних апаратів та об'єктів космічної техніки, в атомній та тепловій енергетиці (жарові труби пальників спалювання аєровугільного палива, елементи енергетичних реакторів) та в інших галузях техніки (металургія, хімічна промисловість, переробка природних ресурсів (виробництво базальтових волокон та ін.)). Саме цими доповненнями, які визначають технологічний і науковий рівень України як держави в ряду інших країн, визначається актуальність роботи. Економічна значимість теми визначається потребністю її результатів не тільки в Україні, але і в організаціях аерокосмічної промисловості США, Європейського Союзу, Китаю з якими велися, ведуться і плануються до розвитку роботи за контрактами. Соціальна значимість визначається можливістю вирішувати за допомогою УВТК питання екології (високотемпературного спалювання токсичних відходів та ОР).
2021-01-01T00:00:00Z