В ИСМАН создают новые прочные слоистые композиционные материалы для промышленности

Слоистая структура металлокерамических материалов на основе боридов титана, созданных методом свободного СВС-сжатия, обеспечивает повышенную трещиностойкость и усталостную прочность.

Черноголовка, 21.09.2023 – Дом ученых НЦЧ РАН

Разработка прочных слоистых композиционных материалов на основе боридов титана, созданных методом свободного СВС-сжатия, ведется в Лаборатории пластического деформирования материалов ИСМАН под руководством профессора Александра Моисеевича Столина [1].

Метод свободного СВС-сжатия [2] позволяет всего за несколько десятков секунд получать новые материалы и готовые изделия из исходных порошковых материалов. Что касается боридов титана [3], то эти вещества сегодня вызывают серьезный интерес среди ученых и практиков, благодаря исключительно высокой твёрдости, низкой плотности, высокой температуре плавления, высокой теплопроводности и электрической проводимости. Композитные материалы на их основе обладают особой прочностью и упругостью. При этом на свойства материала влияют как методы изготовления, доля и структура боридов, так и дизайн композитов.

На данный момент одним из перспективных направлений является разработка структуры композиционного материала из чередующихся слоев. Особое значение имеют границы раздела между слоями, которые способствуют разветвлению трещин и их перезарождению в каждом новом слое. Важной задачей является установление влияния пропорций толщин слоев и их упругих свойств на перераспределение напряжений и, как следствие, на предельные нагрузки, которые может выдержать образец.

Рис. 1 Фото образцов металлокерамических материалов на основе боридов титана (ИСМАН)

Учеными ИСМАН разработана математическая модель, позволяющая определять порядок разрушения слоев и условия достижения максимума предельной нагрузки при трехточечном нагружении. Результаты работы опубликованы в июле 2023 г. в известном научном журнале Metals [4]. 

Разрабатываемые новые металлокерамические композитные материалы могут применяться в машиностроении, авиакосмической отрасли и в смежных областях.

Примечания:

1. ФГБУН Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А. Г. Мержанова Российской академии наук (ИСМАН) создан в 1987 году. Первым Директором-организатором Института был академик А.Г Мержанов, который известен во всем мире как автор открытия: «Явление волновой локализации автотормозящихся твердофазных реакций». Оно стало основой процессов СВС — самораспространяющегося высокотемпературного синтеза большого числа неорганических соединений и новых материалов.

2. Метод свободного СВС-сжатия является энергоэффективным методом, используемым для получения композиционных керамических и металлокерамических материалов. Он основан на сочетании процесса СВС и последующего сжатия продуктов горения, что позволяет быстро формировать новые материалы и изделия. Этот процесс происходит в едином цикле и обычно занимает всего десятки секунд.

3. Бориды титана — химические соединения металла титанаи бора с формулой TiB и TiB₂. Материалы на основе боридов титана обладают высокой твердостью, малой плотностью, способны поглощать нейтроны. Они хорошо проводят ток и имеют высокие температуры плавления до 3230°C. Бориды титана применяются в производстве твёрдых сплавов, износостойких покрышек и сопел и др. Они также используются в машиностроении для защиты деталей от абразивного износа и в атомной энергетике для создания нейтронопоглощающих экранов.

4. Metals: Khvostunkov, P. Bazhin, Q-Q. Ni, A. Bazhina, A. Chizhikov and A. Konstantinov. Influence of Layer-Thickness Proportions and Their Strength and Elastic Properties on Stress Redistribution during Three-Point Bending of TiB/Ti-Based Two-Layer Ceramics Composites / Metals. 2023. Vol. 13(8), № 1480. https://doi.org/10.3390/met13081480

Павел Бажин, Анна Дацюк