Tilda Publishing
ЖУРНАЛ
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ISSN 1028-978X (print)
ISSN 3033-733X (online)
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Tilda Publishing
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
2024, № 2, аннотации статей
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Сферические субмикронные порошки с нано-поликристаллической субструктурой — перспективное сырь¸ для получения мелкозернистой высокоплотной керамики
(обзор)

Л. В. Виноградов, В. И. Антипов, А. Г. Колмаков, Ю. Э. Мухина, Е. Е. Баранов

Рассмотрены уникальные свойства и возможные области применения субмикронных порошков из тугоплавких оксидов, получаемых методом аэрозольно-распылительного пиролиза. Анализ экспериментальных результатов, полученных исследователями в разное время, убедительно доказывает перспективность использования неагломерирующихся аэрозольных субмикронных сферических порошков для получения керамических материалов с высокоплотной, однородной мелкозернистой структурой, не содержащей пор. Уникальность аэрозольных порошков обусловлена наличием в частицах нано-поликристаллической субструктуры с развитой сеткой межзёренных границ, что в процессе спекания оказывает существенное влияние на эффективность диффузионного массопереноса и способствует повышению скорости и полноты зарастания пор. Указанные свойства аэрозольные порошки приобретают благодаря применению метода ультразвукового распылительного пиролиза, где в сверхмалых локальных объемах аэрозольных капель протекают равновесные физико-химические процессы, обеспечивая высокую степень однородности получаемого порошка. Формируемая ультратонкая субструктура аэрозольных порошков обеспечивает полноценное их спекание при пониженных температурах, позволяя формировать высокоплотный, безпористый керамический материалы с экстремальными физико-механических характеристиками. Практическое использование наноструктурированных аэрозольных порошков не требует применения операций, связанных с их предварительной подготовкой (помол-измельчение, классификация, очистка от примесей и т.д.) и, в отличие от ультрадисперсных порошков, такие порошки легко формуются с помощью традиционных методов порошковой технологии (одноосное прессование, горячее литье и т.д.).

Ключевые слова: керамика, распылительный пиролиз, аэрозольные порошки, агломераты, спекание, наноструктура.

DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-5-14
Виноградов Леонид Викторович — Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (119334, Москва, Ленинский проспект, 49), кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, специалист в области порошковой металлургии покрытий и композиционных материалов. Е-mail: ltdvin@yandex.ru.
Антипов Валерий Иванович — Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (119334, Москва, Ленинский проспект, 49), кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, специалист в области порошковой металлургии, покрытий и композиционных материалов. Е-mail: viantipov@imet.ac.ru.
Колмаков Алексей Георгиевич — Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (119334, Москва, Ленинский проспект, 49),
член-корреспондент РАН, доктор технических наук, заведующий лабораторией, специалист в области композиционных и наноматериалов, мультифрактального анализа, синергетики. Е-mail: akolmakov@imet.ac.ru.
Мухина Юлия Эдуардовна — Институт металлургии и материаловедения
им. А.А. Байкова РАН (119334, Москва, Ленинский проспект, 49), кандидат технических наук, научный сотрудник, специалист в области структурного анализа и физикохимии неорганических материалов. Е-mail: mukhina.j.e.imet@yandex.ru.
Баранов Евгений Евгеньевич — Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (119334, Москва, Ленинский проспект, 49), научный сотрудник, специалист в области материаловедения и физики металлов. Е-mail: arefiy@mail.ru.
Ссылка на статью:
Виноградов Л.В., Антипов В.И., Колмаков А.Г., Мухина Ю.Э., Баранов Е.Е. Сферические субмикронные порошки с нано-поликристаллической субструктурой — перспективное сырье для получения мелкозернистой высокоплотной керамики (обзор). Перспективные материалы, 2024, № 2, с. 5 – 14. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-5-14
Литература содержит 31 ссылку.

См. подробнее о статье на сайте e-library
Литература/References
к статье Виноградов Л.В., Антипов В.И., Колмаков А.Г., Мухина Ю.Э., Баранов Е.Е. Сферические субмикронные порошки с нано-поликристаллической субструктурой — перспективное сырье для получения мелкозернистой высокоплотной керамики (обзор). Перспективные материалы, 2024, № 2, с. 5 – 14. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-5-14
1. Эванс А.Г., Лэнгдон Т.Г. Конструкционная керамика. Москва, Металлургия, 1980, 256 с. / Evans A.G., Langdon T.G. Strukturnaya keramika [Structura ceramics]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1980, 256 p. (In Russ.).
2. Шевченко В.Я. Введение в техническую керамику. Москва, Наука, 1993. 111 c. / Shevchenko V.Ya. Vvedenie v tekhnicheskuyu keramiku [Introduction to technical ceramics]. Moscow, Nauka Publ., 1993, 111p (In Russ.).
3. Шевченко В.Я., Баринов С.М. Техническая керамика. Москва, Наука, 1993, 187 с. / Shevchenko V.Ya., Barinov S.M. Tekhnicheskaya keramika [Technical ceramics]. Moscow, Nauka Publ., 1993, 187 p. (In Russ.)
4. Гаршин А.П. Материаловедение. Техническая керамика в машиностроении. Москва, Издательство Юрайт, 2022, 296 c. / Garshin A.P. Materialovedenie Tekhnicheskaya keramika v mashinostroenii [Materials Science. Technical ceramics in mechanical engineering]. Moscow, Yurait Publ., 2022, 296 p. (In Russ.).
5. Анциферов В.Н., Севастьянов И.Г. Влияние тонкого измельчения на структуру и свойства диоксида циркония. Огнеупоры, 1994, № 2, c. 2 – 8. / Antsiferov V.N., Sevastyanov I.G. Vliyanie tonkogo izmel’cheniya na strukturu i svoistva dioksida tsirkoniya [Influence of fine grinding on the structure and properties of zirconium dioxide]. Ogneupory [Refractories], 1994, no. 2, pp. 2 – 8 (In Russ).
6. Лукин Е.С. Современная высокоплотная оксидная керамика с регулируемой микроструктурой. Огнеупоры и техническая керамика, 1996, № 1, с. 5 – 8. / Lukin E.S. Sovremennaya vysokoplotnaya oksidnaya keramika s reguliruemoi mikrostrukturoi [Modern high-density oxide ceramic with controlled microstructure]. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika [Refractories and technical ceramics], 1996, no. 1, pp. 5 – 8 (In Russ).
7. Галахов А.В. Распределение частиц по размерам и спекание. Численный анализ. Российские нанотехнологии, 2012, т. 7, № 1 – 2, с. 64 – 69. / Galakhov A.V. Raspredelenie chastits po razmeram i spekanie. Chislennyi analiz [Particle size distribution and sintering. Numerical analysis]. Rossiiskie nanotekhnologii [Russian Nanotechnologies], 2012, v. 7, no. 1 – 2, pp. 64 – 69 (In Russ).
8. Hannink R.H.J., Kelly P.M., Muddle B.C. Transformation toughening in zirconia containing ceramics. (J. Amer. Ceram. Soc.), 1991, v. 83, no. 3, рр. 994 – 997.
9. Галахов А.В. Компактирование и спекание агломерированных ультрадисперсных порошков ZrO2. Огнеупоры, 1989, № 9, с. 12. / Galakhov A.V. Kompaktirovanie i spekanie aglome­rirovannykh poroshkov ZrO2 [Compaction and sintering of agglomerated ultrafine ZrO2 powders]. Ogneupory [Refractories], 1989, no. 9, p. 12 (In Russ).
10. Галахов А.В., Куцев С.В., Крючков В.А. и др. Влияние давления формования на спекаемость субмикронных порошков тетрагонального диоксида циркония. Огнеупоры. 1993, № 2, с. 5 ‒ 11. / Galakhov A.V., Kutsev S.V., Kryuchkov V.A. et al. Vliyanie davleniya formovaniya na spekaemost’ submicronnykh poroshkov tetragonalnogo dioksida tsirkoniya [Influence of molding pressure on the sintering of submicron powders of tetragonal zirconium dioxide]. Ogneupory [Refractories]. 1993, no. 2, pp. 5 ‒ 11 (In Russ).
11. Cameron C.P., Better R. Raj sintering through green-state deformation processing. J. Amer. Ceram. Soc., 1990, v. 73, no. 7, pp. 2032 ‒ 2037.
12. Frank J., Lin T., De Jonghe L.C. et al. Microstructure refinement of sintered alumina by a two-step sintering technique. J. Amer. Ceram. Soc., 1997, v. 80, no. 9, pp. 2269 ‒ 2277.
13. Лукин Е.С., Черникова З.К., Боровкова Л.Б. Спекание активных порошков. Огнеупоры, 1978, № 8, с. 54 – 56. / Lukin E.S., Chernikova Z.K., Borovkova L.B. Spekanie aktivnykh poroshkov [Sintering active powders]. Ogneupory [Refractories], 1978, no. 8, pp. 54 – 56 (In Russ).
14. Попильский Р.Я., Пивинский Ю.Е. Прессование порошковых керамических масс. Москва, Металлургия, 1983, 169 с. / Popilskiy R.Ya., Pivinskiy Yu.E. Pressovanie poroshkovykh keramicheskikh mass [Pressing powder ceramic masses]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1983, 169 p. (In Russ).
15. Дудник Е.В., Зайцева З.А., Шевченко А.В. и др. Методы формования дисперсных порошков на основе диоксида циркония. Порошковая металлургия, 1993, № 8, с. 16 – 23. / Dudnik E.V., Zaitseva Z.A., Shevchenko A.V. et al. Metody formovaniya dispersnykh poroshkov na osnove dioksida tsirkoniya [Methods of molding disperse powders based on zirconium dioxide]. Poroshkovaya metallurgiya [Powder Metallurgy], 1993, no. 8, pp. 16 – 23 (In Russ).
16. Галахов А.В., Цибайло Е.В. Неоднородность упаковки в порошковых компактах и прочность получаемой из них керамики. Огнеупоры и техническая керамика, 1997, № 5. с. 14 ‒ 19. / Galakhov A.V., Tsibailo E.V. Neodnorodnost’ upakovki v poroshkovykh kompaktakh i prochnost’ poluchaemoi iz nikh keramiki [Packing inhomogeneity in powder compacts and the strength of ceramics obtained from them]. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika [Refractories and technical ceramics], 1997, no. 5, pp. 14 – 19 (In Russ).
17. Nandiyanto A.B.D., Okuyama K. Progress in developing spray-drying methods for the production of controlled morphology particles: From the nanometer to submicrometer size ranges. Advanced Powder Technology, 2011, v. 22, pp. 1 – 19.
18. Messing G.L., Zhang S.C., Jayanthi G.V. Ceramic powder synthesis by spray pyrolysis. J. Am. Ceram. Soc., 1993, v. 76, no. 11, рр. 2707 – 2726.
19. Suyama Y., Kato A. Characterization and sintering of Mg–Al spinel prepared by spray-pyrolysis technique. Ceram. Int., 1982, v. 8, no. 1, рр. 17 – 25.
20. Keigo Suzuki, Keisuke Kageyama, Hiroshi Takagi et al. Fabrication of monodispersed barium titanate nanoparticles with narrow size distribution. J. Am. Ceram. Soc., 2008, v. 91, no. 5, рр. 1721 – 1731.
21. Marchal J., Tyrone J., Baranwal R. et al. Yttrium aluminum garnet nanopowders produced by liquid-feed flame spray pyrolysis (LF-FSP) of metalloorganic precursors Chemistry of Materials, 2004, v. 16, рр. 822 – 833.
22. Bing Guo, Zhi-Ping Luo. Particle size effect on the crystal structure of Y2O3 particles formed in a flame aerosol process. J. Am. Ceram. Soc., 2008, v. 91, no. 5, рр. 1653 – 1660.
23 Madler L., Pratsinis S.E. Bismuth oxide nanoparticles by flame spray pyrolysis. J. Am. Ceram. Soc., 2008, v. 85, no. 7, рр. 1713 – 1722.
24. Song Y.L., Tsai S.C., Chen C.Y., et al. Ultrasonic spray pyrolysis for synthesis of spherical zirconia particles. J. Amer. Ceram. Soc., 2004, v. 87, no.10, рр.864 – 1871.
25. Галахов А.В., Антипов В.И., Виноградов Л.В., Колмаков А.Г., Баринов С.М., Солнцев К.А. и др. Исследование свойств и оценка спекаемости наноструктурированных субмикронных порошков состава ZrO2 (3 мол. % Y2O3), синтезированных методом ультразвукового распылительного пиролиза. Перспективные материалы, 2012, № 4, с. 70 – 76. / Galakhov A.V., Antipov V.I., Vinogradov L.V., Kolmakov A.G., Barinov S.M., Solntsev K.A. et al. Issledovanie svoistv i ocenka spekaemosti nanostrukturirovannyh submikronnykh poroshkov sostava ZrO2 (3 mol. % Y2O3), sintezirovannykh metodom ul’trazvukovogo raspylitel’nogo piroliza [Investigation of properties and evaluation of sinterability of nanostructured submicron powders of ZrO2 composition ( 3mol. % Y2O3) synthesized by ultrasonic spray pyrolysis]. Perspektivnye materialy [Advanced materials], 2012, no. 4, pp. 70 – 76 (In Russ).
26. Антипов В.И., Галахов А.В., Виноградов Л.В., Колмаков А.Г., Баранов Е.Е., Лазарев Э.М., Аладьев Н.А., Мухина Ю.Э. Трансформационно-упрочнённая ZrO2 – СеО2 керамика на основе порошков, синтезированных методом ультразвукового распылительного пиролиза. Перспективные материалы, 2011, № 1, с. 53 – 57. / Antipov V.I., Galakhov A.V., Vinogradov L.V., Kolmakov A.G., Baranov E.E., Lazarev E.M., Aladiev N.A., Mukhina Yu.E. Transformatsionno-uprochnennaya ZrO2 – СеО2 keramika na osnove poroshkov, sinrezirovannykh metodom ul’trazvukovogo raspylitel’nogo piroliza [Transformation-strengthened ZrO2 – CeO2 ceramics based on powders synthesized by ultrasonic spray pyrolysis]. Perspektivnye materialy [Advanced materials], 2011, no. 1, pp. 53 – 57 (in Russ).
27. Галахов А.В., Виноградов Л.В., Антипов В.И., Колмаков А.Г., Баранов Е.Е., Лазарев Э.М., Гордеев А.С., Аладьев Н.А., Мухина Ю.Э. Нано­струк­турированные аэрозольные порошки алюмо­иттриевого граната для лазерной поли­кристал­лической керамики. Перспективные материалы, 2009, № 3, c. 62 – 70. / Galakhov A.V., Vinogradov L.V., Antipov V.I., Kolmakov A.G., Baranov E.E., Lazarev E.M., Gordeev A.S., Alad’ev N.A., Mukhina Yu .E. Nanostrukturirovannye aerozol’nye poroshki alyumoittriyevogo granata dlya lazernoi polikristallicheskoi keramiki. [Nanostructured aerosol powders of yttrium aluminum garnet for laser polycrystalline ceramics]. Perspektivnye materialy [Advanced materials], 2009, no. 3, pp. 62 – 70 (In Russ).
28. Ikesue A., Aung Y.L. Origin and future of polycrystalline ceramic lasers. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2018, v. 24, no. 5, pp. 1 – 7.
29. Gadow Rainer, Antipov V., Kolmakov A., Vinogradov L., Larionov M., Mukhina Y. Synthesis of submicron, nanostructured spherical powders of Y3Al5O12-phases by the method by ultrasonic spray pyrolysis and investigation of their structure and properties. Ceramics, 2022, no. 5 (2), рр. 201 – 209, https://doi.org/10.3390/ceramics5020017.
30. Гегузин Я.Е. Физика спекания. М.: Наука, 1984, 312 с. / Geguzin Ya.E. Fizika spekaniya [Physics of sintering]. Moscow, Nauka Publ., 1984, 312 p. (In Russ).
31. Slamovich E.B., Lange F.F. Densification of large pores: I, Experiment. J. Amer. Ceram. Soc., 1992, v. 75, no. 5, pp. 2498 – 2508.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Модификация наноструктурированного диоксида титана методом
гидротермальной обработки для улучшения электрических
параметров бета-вольтаических элементов

А. В. Брацук, Д. С. Киселев, С. Ю. Ковтун, Д. А. Зайцев,
Е. Н. Федоров, А. А. Игонина, Д. М. Варданян, А. А. Урусов

В области микроэлектроники появляются новые технологии, с помощью которых можно уменьшить размеры микроэлектронных приборов и объединить их в более компактные устройства, требующие ультранизкого энергопотребления. Генераторами мощности такого порядка могут служить бета-вольтаические источники питания (БВИП), состоящие из совокупности бета-вольтаических элементов (БВЭ) на основе долгоживущих радиоизотопов бета-излучения и полупроводниковых преобразователей (ПП). Одна из ключевых задач по повышению мощности — это выбор ПП, способных эффективно преобразовывать энергию бета-частиц в электричество. Перспективными ПП считаются структуры, имеющие развитую поверхность и высокое значение ширины запрещенной зоны. В качестве такого ПП, выбран нанопористый диоксид титана (TiO2 НП), синтезированный анодированием титановой подложки. Полученные ПП исследовали в составе БВЭ на основе никеля-63 активностью ~ 10 Ки/г. TiO2 НП, обладающие аморфной структурой, в составе БВЭ продемонстрировали невысокие электрические параметры. Для их повышения применяли модификацию TiO2 НП методом гидротермальной обработки в растворе Sr(OH)2 для превращения TiO2 в SrTiO3, обладающего структурным сходством с анатазом TiO2. C продолжительностью времени модификации электрические параметры ПП увеличивались, и, в лучшем случае, при 3 ч модификации БВЭ сгенерировал ток короткого замыкания 2,9 нА, напряжение холостого хода 0,8 В, имея максимальную мощность 0,8 нВт при 0,45 – 0,5 В. Полученные электрические параметры в сочетании с миниатюрными размерами БВЭ открывают потенциальную возможность создания БВИП с повышенной удельной (на объем) мощностью.

Ключевые слова: ядерная батарея, бета-вольтаический элемент, никель-63, нанопоры и нанотрубки, титанат стронция, диоксид титана, модификация, бета-вольтаические свойства.

DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-15-27
Брацук Андрей Владимирович — Акционерное общество “Научно-исследовательский институт научно-производственное объединение “ЛУЧ” (142103, Московская область, Подольск, ул. Железнодорожная, 24), научный сотрудник, специалист в области синтеза наноматериалов и разработки электронных устройств на их основе. E-mail: AVBratsuk@mail.ru.
Киселев Дмитрий Сергеевич — Акционерное общество “Научно-исследовательский институт научно-производственное объединение “ЛУЧ” (142103, Московская область, Подольск, ул. Железнодорожная, 24), кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, специалист в области исследования свойств материалов. E-mail: KiselevDS@sialuch.ru.
Ковтун Семён Юрьевич — Акционерное общество “Научно-исследовательский институт научно-производственное объединение “ЛУЧ” (142103, Московская область, Подольск, ул. Железнодорожная, 24), инженер-технолог, специалист в области химической технологии неорганических материалов. E-mail: KovtunSU@sialuch.ru.
Зайцев Дмитрий Александрович — Акционерное общество “Научно-исследовательский институт научно-производственное объединение “ЛУЧ” (142103, Московская область, Подольск, ул. Железнодорожная, 24), ведущий инженер, специалист в области радиационного материаловедения. E-mail: dmrzaytsev@gmail.com.
Фёдоров Евгений Николаевич — Акционерное общество “Научно-исследовательский институт научно-производственное объединение “ЛУЧ” (142103, Московская область, Подольск, ул. Железнодорожная, 24), главный научный сотрудник, специалист в области разработки устройств преобразования энергии. E-mail: FedorovEN@sialuch.ru.
Игонина Александра Александровна — Акционерное общество “Научно-исследовательский институт научно-производственное объединение “ЛУЧ” (142103, Московская область, Подольск, ул. Железнодорожная, 24), инженер, специалист в области химической технологии неорганических материалов. E-mail: IgoninaAA@sialuch.ru.
Варданян Дмитрий Мушегович — Акционерное общество “Научно-исследовательский институт научно-производственное объединение “ЛУЧ” (142103, Московская область, Подольск, ул. Железнодорожная, 24), стажер, специалист в области синтеза наноматериалов. E-mail: VardanyanDM@sialuch.ru.
Урусов Александр Александрович — Акционерное общество “Научно-исследовательский институт научно-производственное объединение “ЛУЧ” (142103, Московская область, Подольск, ул. Железнодорожная, 24), начальник лаборатории, специалист в области радиационного материаловедения. E-mail: UrusovAA@sialuch.ru.
Ссылка на статью:
Брацук А.В., Киселев Д.С., Ковтун С.Ю., Зайцев Д.А., Федоров Е.Н., Игонина А.А., Варданян Д.М., Урусов А.А. Модификация наноструктурированного диоксида титана методом гидротермальной обработки для улучшения электрических параметров бета-вольтаических элементов. Перспективные материалы, 2024, № 2, с. 15 – 27. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-15-27
Литература содержит 31 ссылок.

См. подробнее о статье на сайте e-library
Литература/References
к статье Брацук А.В., Киселев Д.С., Ковтун С.Ю., Зайцев Д.А., Федоров Е.Н., Игонина А.А., Варданян Д.М., Урусов А.А. Модификация наноструктурированного диоксида титана методом гидротермальной обработки для улучшения электрических параметров бета-вольтаических элементов. Перспективные материалы, 2024, № 2, с. 15 – 27. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-15-27
1. Ageev O.A., Balakirev S.V., Bykov A.V. et al. Development of new metamaterials for advanced element base of micro-and nanoelectronics, and microsystem devices. Advanced Materials: Manufacturing, Physics, Mechanics and Applications, Springer International Publishing, 2016, pp. 563 – 580.
2. Wu F., He T., Yang S. et al. Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths. Nature, 2022, v. 603, no. 7900, pp. 259 – 264.
3. Hu J., Luo J., Xu Z. et al. Hybrid printed three-dimensionally integrated micro-supercapacitors for compact on-chip application. Applied Physics Reviews, 2021, v. 8, no. 1, art. 011401.
4. Pu Y., Shi C., Samson G. et al. A 9-mm2 ultra-low-power highly integrated 28-nm CMOS SoC for Internet of Things. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2018, v. 53, no. 3, pp. 936 – 948.
5. Быкодорова Е.Д., Дымов Д.В., Полещук В.В. и др. Современные бортовые телеметрические системы космических аппаратов разработки АО ИСС. Вопросы науки, 2015, т. 4, с. 77 – 81. / Bykodorova E.D., Dymov D.V., Poleshchuk V.V. et al. Sovremennye bortovye telemetricheskie sistemy kosmicheskih apparatov razrabotki AO ISS [Modern onboard telemetry systems for spacecraft developed by ISS JSC]. Voprosy nauki [Science issues], 2015, v. 4, pp. 77 – 81. (In Russ.)
6. Patnala M., Yadav A., Williams J. et al. Low power-high speed performance of 8T static RAM cell within GaN TFET, FinFET, and GNRFET technologies — A review. Solid-State Electronics, 2020, v. 163, art. 107665.
7. Li C., Wang Y., Guo B. et al. A 300 nW 10 kHz relaxation oscillator with 105 ppm/°C temperature coefficient. Circuits, Systems, and Signal Processing, 2021, v. 40, no. 11, pp. 5264 – 5279.
8. Mirchandani N., Shrivastava A. A 254-nW 20-kHz on-chip RC oscillator with 21-ppm/°C minimum temperature stability and 10-ppm long-term stability. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2023, v. 70, iss. 7, pp. 2823 – 2833. DOI: 10.1109/TCSI.2023.3261/82.
9. Khvostikov V.P., Kalinovskii V.S., Sorokina S.V. et al. Tritium power supply sources based on AlGaAs/GaAs heterostructures. Technical Physics Letters, 2019, v. 45, pp. 1197 – 1199.
10. Thomas C., Portnoff S., Spencer M.G. High efficiency 4H-SiC betavoltaic power sources using tritium radioisotopes. Applied Physics Letters, 2016, v. 108, no. 1, art. 013505.
11. Bouzid F., Dehimi S., Hadjab M. et al. Performance prediction of AlGaAs/GaAs betavoltaic cells irradiated by nickel-63 radioisotope. Physica B: Condensed Matter, 2021, v. 607, art. 412850.
12. Bormashov V. S., Troschiev S.Yu., Tarelkin S.A. et al. High power density nuclear battery prototype based on diamond Schottky diodes. Diamond and Related Materials, 2018, v. 84, pp. 41 – 47.
13. Gurskaya A.V., Dolgopolov M.V., Chepurnov V.I. C-14 beta converter. Physics of Particles and Nuclei, 2017, v. 48, no. 6, pp. 941 – 944.
14. Chu J., Piao X., Jian L. etc. Research of radioisotope microbattery based on β-radio-voltaic effect. Journal of Micro/Nanolithography, MEMS and MOEMS, 2009, v. 8, no. 2, art. 021180.
15. Urchuk S.U., Murashev V.N., Legotin S.A. et al. Betavoltaic p--n+-structure simulation. Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing, 2016, v. 741, no. 1, art. 012094.
16. Gao H., Luo S., Zhang H. et al. Demonstration, radiation tolerance and design on a betavoltaic micropower. Energy, 2013, v. 51, pp. 116 – 122.
17. Lei Y., Yang Y., Liu Y. et al. The radiation damage of crystalline silicon PN diode in tritium beta-voltaic battery. Applied Radiation and Isotopes, 2014, v. 90, pp. 165 – 169.
18. Цветков Л.А., Пустовалов А.А., Баранов Н.Н. и др. Основы бета-вольтаики. РадиоСофт, 2019, 336 с. / Tsvetkov L.A., Pustovalov A.A., Baranov N.N. etc. Osnovy beta-vol’taiki [Fundamentals of Betavoltaics]. RadioSoft [RadioSoft], 2019, 336 p. (In Russ.)
19. Yamaguchi M. Radiation resistance of compound semiconductor solar cells. Journal of Applied Physics, 1995, v. 78, pp. 1476 – 1480.
20. Krasnov A.A., Legotin S.A. Advances in the deve­lopment of betavoltaic power sources (A review). Instruments and Experimental Techniques, 2020, v. 63, pp. 437 – 452.
21. Guo H., Yang H., Zhang Y. Betavoltaic microbatteries using porous silicon. 2007 IEEE 20th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), IEEE, 2007, pp. 867 – 870.
22. Chen C., Wang N., Zhou P. et al. Electrochemically reduced graphene oxide on well-aligned titanium dioxide nanotube arrays for betavoltaic enhancement. ACS applied materials & interfaces, 2016, v. 8,
no. 37, pp. 24638 – 24644.
23. Ma Y., Wang N., Chen J. et al. Betavoltaic enhancement using defect-engineered TiO2 nanotubearrays through electrochemical reduction in organic electrolytes. Applied Materials & Interfaces, 2018, v. 10, no. 26,
pp. 22174 – 22181.
24. Bratsuk A.V., Bezzhovchiy D.A., Kovtun S.Y. etc. Development of a Betavoltaic Cell Based on TiO2 Nanotubes and Radioisotope Ni63. 2022, Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus), IEEE, 2022, pp. 938 – 941.
25. Брацук А.В., Безжовчий Д.А., Ковтун С.Ю. и др. Синтез нанотрубок из диоксида титана применительно к разработке бета-вольтаических элементов. Цветные металлы, 2022, № 10, с. 87 – 92. / Bratsuk A.V., Bezzhovchiy D.A., Kovtun S.Yu. et al. Sintez nanotrubok iz dioksida titana primenitel’no k razrabotke beta-vol’taicheskih elementov [Synthesis of nanotubes from titanium dioxide in relation to the development of betavoltaic elements]. Tsvetnye metally [Non-ferrous metals], 2022, no. 10, pp. 87 – 92. (In Russ.)
26. Yang L., Luo S., Cai Q. et al. A review on TiO2 nanotube arrays: fabrication, properties, and sensing applications. Chinese science bulletin, 2010, v. 55, no. 4, pp. 331 – 338.
27. Roy P., Berger S., Schmuki P. TiO2 nanotubes: synthesis and applications. Angewandte Chemie International Edition, 2011, v. 50, no. 13, pp. 2904 – 2939.
28. Huo K., Gao B., Fu J. et al. Fabrication, modification, and biomedical applications of anodized TiO2 nanotube arrays. RSC Advances, 2014, v. 4, no. 33, pp. 17300 – 17324.
29. Zhang X., Huo K., Hu L. etc. Synthesis and photo­catalytic activity of highly ordered TiO2 and SrTiO3/TiO2 nanotube arrays on Ti substrates. Journal of the American Ceramic Society, 2010, v. 93, no. 9, pp. 2771 – 2778.
30. Jayabal P., Sasirekha V., Mayandi J. et al. A facile hydrothermal synthesis of SrTiO3 for dye sensitized solar cell application. Journal of Alloys and Compounds, 2014, v. 586, pp. 456 – 461.
31. Szafraniak B., Fuśnik Ł., Xu J. etc. Semiconducting metal oxides: SrTiO3, BaTiO3 and BaSrTiO3 in gas-sensing applications: A review. Coatings, 2021, v. 11, no. 2, pp. 185.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Структура и свойства покрытий SiO2 – Cr2O3, полученных методом
импульсного магнетронного распыления на керамической основе ZrO2

Р. С. Небогатиков, С. Я. Пичхидзе

Предложена технология получения покрытий SiO2 – Cr2O3 на керамической циркониевой основе Y-TZP (ZrO2, стабилизированный Y2O3). Покрытие получали в три этапа: 1) формирование адгезионного слоя SiO2 посредством нанесения 5 % спиртового раствора 3-аминопропилтриэтоксисилана на поверхность керамической основы с последующей термической обработкой при 450 ± 5 °С в течение 30 мин; 2) нанесение Cr чистотой 99,9 % методом импульсного магнетронного распыления подготовленную керамическую подложку со сформированным слоем SiO2; 3) диффузионное окисление Cr, нанесенного на керамическую основу, до Cr2O3 в муфельной печи при температуре 450 ± 5 °С в течение 30 мин. Исследованы физико-механические характеристики покрытия в зависимости от подготовительных и финишных операций (абразивно-струйная обработка, полировка). Получены образцы с субмикронным покрытием толщиной 150 ± 20 нм, имеющим наноструктурированную пластинчатую структуру, обладающим величиной открытой пористости 1,3 %, микротвердостью 2000 HV, шероховатостью Ra 0,32 – 0,63, коэффициентом трения 0,175 и повышенной на 184 % износостойкостью к истирающим нагрузкам в сравнении с чистой циркониевой керамикой.

Ключевые слова: покрытие SiO2– Cr2O3, диоксид циркония ZrO2, износостойкость, физико-механические характеристики, протез клапана сердца.

DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-28-40
Небогатиков Роман Сергеевич — Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А. (Саратов, 410054, ул. Политехническая, 77), аспирант, специалист в области PVD-покрытий и исследования физико-механических характеристик материалов. E-mail: nebogatikov.r@gmail.com.
Пичхидзе Сергей Яковлевич — Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А. (Саратов, 410054, ул. Политехническая, 77), доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник, специалист в области плазменного напыления и рентгеноспектрального (энергодисперсионного) и рентгенофазового анализа веществ. E-mail: serg5761@yandex.ru.
Ссылка на статью:
Небогатиков Р.С., Пичхидзе С.Я. Структура и свойства покрытий SiO2 – Cr2O3, полученных методом импульсного магнетронного распыления на керамической основе ZrO2. Перспективные материалы, 2024, № 2, с. 28 – 40. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-28-40
Литература содержит 43 ссылки.

См. подробнее о статье на сайте e-library
Литература/References
к статье Небогатиков Р.С., Пичхидзе С.Я. Структура и свойства покрытий SiO2 – Cr2O3, полученных методом импульсного магнетронного распыления на керамической основе ZrO2. Перспективные материалы, 2024, № 2, с. 28 – 40. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-28-40
1. Орловский П.И., Гриценко В.В., Юхнев А.Д. и др. Искусственные клапаны сердца. СПб., Изд. ОЛМА Медиа Групп, 2007, 448 с. / Orlovskii P.I., Gricenko V.V., Yuhnev A.D., et al. Iskusstvennie klapani serdca [Artificial heart valves]. St. Petersburg, OLMA Media Grupp Publ., 2007, 448 p. (In Russ.).
2. Camilleri L.F, Baily P., Legault B.J., et al. Mitral end mitro-aortic valve replacement with Sorin Bicarbon valves compared with St. Jude Medical valves. Cardiovasc. Surg., 2001, v. 9, no. 3, pp. 272 – 280.
3. Liapina K.V. Dulnev P.G., Marinin A.I., et al. Preparation and properties of the collodial solution based on biogenic metal nanoparticles. Biotechnologia acta, 2014, v. 7, no. 6, pp. 63 – 68.
4. Rosas J. M., Bedia-Matamoros J., Rodríguez-Mirasol J., et al. Kinetics of pyrolytic carbon infiltration for the preparation of ceramic/carbon and carbon/carbon composites. Carbon, 2004, no. 7, pp. 1285 – 1290.
5. Грачев А.Ю. Исследование поверхности пиролити­ческого углерода, обработанного в сверхкритическом диоксиде углерода, на атомно-силовом микроскопе. Сборник статей Международной научно-технической конференции “Новые химические технологии, защитные и специальные покрытия: производство и применение” (Пенза, 28 – 29 октября 2015 г.). Пенза, Изд. “Приволжский Дом знаний”, 2015, с. 14 – 21. / Grachev A.Yu. Issledovanie poverhnosti piroliticheskogo ugleroda, obrabotannogo v sverhkriticheskom diokside ugleroda, na atomno-silovom mikroskope [Investigation of the surface of pyrolytic carbon treated in supercritical carbon dioxide using an atomic force microscope.]. Sbornik statei Mejdunarodnoi nauchno-tehnicheskoi konferencii “Novie himicheskie tehnologii_ zaschitnie i specialnie pokritiya_ proizvodstvo i primenenie” (Penza, 28 – 29 oktyabrya 2015) [Book of articles of the International Scientific and Technical Conference “New chemical technologies, protective and special coatings: production and application” (Penza, October 28 – 29, 2015).]. Penza, “Privolzhskij Dom znanij” Publ., 2015, pp. 14 – 21. (In Russ.).
6. Забродина М.В., Ушаков А.Г. Синтез пиролити­ческого углерода на основе газообразного углеводо­родного сырья. Cборник трудов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов “Экология и безопасность в техносфере: современные проблемы и пути решения” (г. Югра 05 – 06 ноября 2015). Изд. Томского политехнического университета, 2015, с. 200 – 202. / Zabrodina M.V., Ushakov A.G. Sintez piroliticheskogo ugleroda na osnove gazoobraznogo uglevodorodnogo syr’ya [Pyrolytic carbon synthesis based on gaseous hydrocarbon raw materials]. Sbornik trudov Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh, aspirantov i studentov “Ekologiya i bezopasnost’ v tekhnosfere: sovremennye problemy i puti resheniya” (g. Yugra 05 – 06 noyabrya 2015) [Proceedings of the All-Russian scientific and practical conference of young scientists, postgraduates and students “Ecology and safety in the technosphere: modern problems and solutions” (Yugra 05 – 06 November 2015)]. “Tomskii politekhnicheskij universitet” Publ., 2015, pp. 200 – 202. (In Russ.).
7. Беленков Е.А., Ивановская В.В., Ивановский А.Л. Наноалмазы и родственные углеродные наномате­риалы. Компьютерное материаловедение. Екатеринбург, Изд. УрО РАН, 2008, 169 с. / Belenkov E.A., Ivanovskaya V.V., Ivanovskii A.L. Nanoalmazi i rodstvennie uglerodnie nanomateriali. Kompyuternoe materialovedenie [Nanodiamonds and related carbon nanomaterials. Computer Materials Science]. Ekaterinburg, UrO RAN Publ., 2008, 169 p. (In Russ.).
8. Антонов Е.Н., Попова А.В., Селезнева И.И. и др. Механические характеристики композитов полилактида и наноразмерных фосфатов кальция, сформированных в сверхкритическом диоксиде углерода. Сверхкритические флюиды: Теория и практика, 2011, т. 6, № 3, с. 5 – 14. / Antonov E.N., Popova A.V., Selezneva I.I., et al. Mehanicheskie harakteristiki kompozitov polilaktida i nanorazmernih fosfatov kalciya_ sformirovannih v sverhkriticheskom diokside ugleroda. [Mechanical characteristics of polylactide composites and nanoscale calcium phosphates formed in supercritical carbon dioxide]. Sverhkriticheskie flyuidi: Teoriya i praktika [Supercritical Fluids: Theory and Practice], 2011, v. 6, no. 3, pp. 5 – 14. (In Russ.).
9. Саримсков А.А., Мирвохидова А.Ж. Применение полимерных материалов в медицине. Экономика и социум, 2020, № 2, с. 367 – 370. / Sarimskov A.A., Mirvohidova A.J. Primenenie polimernih materialov v medicine [The use of polymer materials in medicine]. Ekonomika i socium [Economy and society], 2020, no. 2, pp. 367 – 370.
10. Lütjering, G., Williams J.C. Titanium. Springer, Berlin, 2003, 442 р.
11. Лукин Е.С., Макаров Н.А., Козлов А.И. Современная оксидная керамика и области ее применения. Конструкции из композиционных материалов, 2007, № 1, с. 3 – 13. / Lukin E.S., Makarov N.A., Kozlov A.I. Sovremennaya oksidnaya keramika i oblasti ee primeneniya [Modern oxide ceramics and its applications.]. Konstrukcii iz kompozicionny`x materialov [Structures made of composite materials], 2007, no. 1, pp. 3 – 13. (In Russ.).
12. Абызов А.М. Оксид алюминия и алюмооксидная керамика (Обзор). Часть 1. Свойства Al2O3 и промышленное производство дисперсного Al2O3. Новые огнеупоры, 2019, № 1, с. 16 – 23. / Abyzov A.M. Oksid alyuminiya i alyumooksidnaya keramika (Obzor). Chast’ 1. Svojstva Al2O3 i promyshlennoe proizvodstvo dispersnogo Al2O3 [Aluminum oxide and alumina ceramics (Review). Part 1. Properties of Al2O3 and industrial production of dispersed Al2O3.]. Novye ogneupory [New refractories], 2019, no. 1, pp. 16 – 23. (In Russ.).
13. Martienssen W., Warlimont H. Springer handbook of condensed matter and materials data. Berlin, Springer, 2005, ch. 3.2, pp. 431 ‒ 476.
14. Haynes W.M. CRC handbook of chemistry and physics. Boca Raton, CRC Press, 2017, pp. 12 ‒ 48.
15. Шахов В.П., Верещагин В.И., Петровская Т.С. и др. Вариабельность в биологической активности окси­дированных титановых имплантатов. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. Томск, 2011, т. 152, № 10, с. 458 – 462. / Shahov V.P., Vereschagin V.I., Petrovskaya T.S., et al. Variabelnost v biologicheskoi aktivnosti oksidirovannih titanovih implantatov [Variability in the biological activity of oxidized titanium implants.]. Byulleten eksperimentalnoi biologii i medicine [Bulletin of Experimental Biology and Medicine]. Tomsk, 2011, v. 152, no. 10, pp. 458 – 462. (In Russ.).
16. Тюркин А.И., Пирожкова Т.С., Макеева М.А. Физико-механические свойства (включая трение и износ) и механизмы деформирования биосовместимых керамических материалов в микро- и наношкале. Второй междисциплинарный молодежный научный форум с международным участием “Новые материалы”, (Сочи, 01 – 04 июня 2016 г.). ООО “Интерконтакт Наука”, 2016, с. 204 – 206. / Tyurkin A.I., Pirozhkova T.S., Makeeva M.A. Fiziko-mekhanicheskie svojstva (vklyuchaya trenie i iznos) i mekhanizmy deformirovaniya biosovmestimyh keramicheskih materialov v mikro- i nanoshkale [Physical and mechanical properties (including friction and wear) and deformation mechanisms of biocompatible ceramic materials in micro- and nanoscale]. Vtoroj mezhdisciplinarnyj molodezhnyj nauchnyj forum s mezhdunarodnym uchastiem “Novye materialy”, (Sochi, 01 – 04 iyunya 2016 g.) [The second interdisciplinary youth Scientific Forum with international participation “New Materials”, (Sochi, June 01 – 04, 2016]. “OOO Interkontakt Nauka” Publ., 2016, pp. 204 – 206 (In Russ.)
17. Xuan Sun, Jihua Huang, Jian Yang, Shuhai Chen. Microstructure evolution and mechanical properties of in-situ bimodal TiCFe coatings prepared by reactive plasma spraying. Ceramics International, 2018, no. 45, рр. 5848 – 5857.
18. Lanming Hu, Suyun Li, Chao Li, Guanya Fu. Deposition and properties of plasma sprayed NiCrCoMo–TiC composite coatings. Materials Chemistry and Physics, 2020, no. 254, рр. 1 – 9.
19. Khor K.A., Gua Y.W., Panb D., Cheangc P. Microstructure and mechanical properties of plasma sprayed HA/YSZ/Ti–6Al–4V composite coatings. Biomaterials, 2004, no. 25, рр. 4009 – 4017.
20. Машков Ю.К., Полещенко К.Н., Поворознюк С.Н. Орлов П.В. Трение и модифицирование материалов трибосистем. Москва, Наука, 2000, 280 с. / Mashkov Yu.K., Poleshchenko K.N., Povoroznyuk S.N. Orlov P.V. Trenie i modifitsirovanie materialov tribosistem [Friction and modification of tribosystem materials]. Moscow, Nauka Publ., 2000, 280 p. (In Russ.).
21. DIN EN ISO 13356-2016 Implants for surgery — Ceramic materials based on yttria-stabilized tetragonal zirconia (Y-TZP) (ISO 13356:2015). Approved and put into effect Deutsches Institut fur Normung. 01.02.2016 – URL: https://docs.cntd.ru/document/440123868 (date of application: 13.03.2023).
22. Carter C.B., Norton M.G. Ceramic Materials. Science and Engineering. Springer, New York, 2013, https://doi.org/10.1007/978-1-4614-3523-5.
23. Gates R.S., Hsu S.M. Tribochemistry between water and Si3N4 and SiC: induction time analysis. Tribol. Lett., 2004, v. 17, no. 3, pp. 399 – 407. https://doi.org/10.1023/B:TRIL.0000044488.84437.68.
24. Koji Kato. Tribology of ceramics. Wear, 1990, v. 136, no. 1, pp. 117 – 133. https://doi.org/10.1016/0043-1648(90)90075-L.
25. Sreejith P.S., Ngoi B.K.A. New materials and their machining. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2001, v. 18, no. 8, pp. 537 – 544. https://doi.org/10.1007/s001700170030.
26. Marinescu I., Uhlmann E., Toshiro Doi (Eds.). Handbook of lapping and polishing. CRC Press, 2006, 512 p. https://doi.org/10.1201/9781420017632.
27. Bifano T.G., Dow T.A., Scattergood R.O. Ductile-regime grinding: a new technology for machining brittle materials. Journal of Engineering for Industry, 1991, v. 113, no. 2, pp. 184 – 189. https://doi.org/10.1115/1.2899676.
28. Malkin S., Hwang T.W. Grinding mechanisms for ceramics. CIRP Annals, 1996, v. 45, no. 2, pp. 569 – 580.
https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)60511-3.
29. Marinescu I., Rowe W.B., Dimitrov B., Ichiro Inasaki. Tribology of abrasive machining processes. William Andrew Inc., 2004, 724 p.
30. Lin Y.C., Kao C.H. A study on surface polishing of SiC with a tribochemical reaction mechanism. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2005, v. 25, no. 1, pp. 33 – 40. https://doi.org/10.1007/s00170-003-1873-x.
31. Graˇzulis S., Chateigner D., Downs R., Yokochi A., Quiro ́s M., Lutterotti L., Manakova E., Butkus J., Peter M., Le Bailh A. Crystallography Open Database — an open-access collection of crystal structures. J. Appl. Crystallogr., 2009, v. 42, no. 4, pp. 726 – 729. https://doi.org/10.1107/ S0021889809016690.
32. Lutterotti L., Pilli`ere H., Fontugne C., Boullay P., Chateigner D. Full-profile search–match by the Rietveld method. J. Appl. Crystallogr., 2019, v. 52, no. 3, pp. 587 – 598. https://doi.org/10.1107/S160057671900342X.
33. Huberty C.J., Morris J.D. Multivariate analysis versus multiple univariate analyses. Psychol. Bull., 1989, v. 105, no. 2, pp. 302 – 308. https://doi.org/10.1037/0033- 2909.105.2.302.
34. Durlak J. How to select, calculate, and interpret effect sizes. J. Pediatr. Psychol., 2009, v. 34, no. 9, pp. 917 – 928. https://doi.org/10.1093/jpepsy/jsp004.
35. Rencher A., Christensen W. Methods of multivariate analysis. 3. ed. Wiley, 2012, 800 p.
36. P 50-95-88 Рекомендации. Обеспечение износо­стойкости изделий. Москва, Гос. комитет СССР по стандартам, 1989. 25 с. / P 50-95-88 Rekomendacii. Obespechenie iznoso­stojkosti izdelij [Recommendations. Ensuring the wear resistance of products]. Moscow, USSR State Committee on Standards, 1989, 25 p. (In Russ.).
37. Ignjatovic V., Pelkmans L., Kelchtermans H. Differences in the mechanism of blood clot formation and nanostructure in infants and children compared with adults. Thrombosis Research, 2015, v. 136, I, no. 6, pp. 1303 – 1309. https://doi.org/10.1016/j.thromres. 2015.10.034.
38. Fomin A.A. Plasma-induction spraying of nano­crystalline hydroxyapatite coatings obtained on titanium intraosseous implants. Handbook of nanoceramic and nanocomposite coatings and materials, Oxford, Butterworth-Heinemann, 2015, pp. 293 – 317.
39. Бокерия Л.А., Агафонов А.В., Кузнецов В.О., Фадеев А.А. Исследование и разработка модифи­цированных наноструктурных пироуглеродов для изготовления имплантатов в сердечно-сосудистой хирургии. Бюллетень НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН “Сердечно-сосудистые заболевания”, 2007, т. 8, № S6, 304 с. / Bokeriya L.A., Agafonov A.V., Kuzneczov V.O., Fadeev A.A. Issledovanie i razrabotka modifici­rovanny`x nanostrukturny`x pirouglerodov dlya izgotovleniya implantatov v serdechno-sosudistoj xirurgii [Research and development of modified nanostructured pyrocarbons for the manufacture of implants in cardiovascular surgery]. Byulleten` NCzSSX im. A.N. Bakuleva RAMN “Serdechno-sosudisty`e zabolevaniya” [Bulletin of the A.N. Bakulev National Research Center of the Russian Academy of Medical Sciences “Cardiovascular Diseases”], 2007, v. 8, no. S6, 304 p. (In Russ.).
40. Fomin A. Theoretical dependence of hardness on the structural parameters for hard and superhard ceramics. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2020, v. 88, art. 105201. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2020.105201.
41. Elabbasy M.T., Algahtani F.D., Alshammari H.F. Improvement of mechanical and antibacterial features of hydroxyapatite/chromium oxide/graphene oxide nanocomposite for biomedical utilizations. Surface and Coatings Technology, 2022, v. 440, art. 128476. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128476.
42. Бокерия Л.А., Агафонов А.В., Волков Р.Л. Исследование микроструктуры контактирующих с кровью поверхностей имплантируемых изделий из пироуглеродных материалов. Бюллетень НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН “Сердечно-сосудистые заболевания”, 2013, т. 14, № 2, с. 26 – 35. / Bokeriya L.A., Agafonov A.V., Volkov R.L. Issledovanie mikrostruktury` kontaktiruyushhix s krov`yu poverxnostej implantiruemyx izdelij iz pirouglerodny`x materialov [Investigation of the microstructure of the surfaces of implantable products made of pyrocarbon materials in contact with blood.]. Byulleten` NCzSSX im. A.N. Bakuleva RAMN “Serdechno-sosudisty`e zabolevaniya” [Bulletin of the A.N. Bakulev National Research Center of the Russian Academy of Medical Sciences “Cardiovascular Diseases”], 2013, v. 14, no. 2, p. 26 – 35. (In Russ.).
43. Сидоренко Е.С., Фадеев А.А., Агафонов А.В. Особенности медико-биологической оценки безопасности наноматериалов. Клиническая физиология кровообращения, 2014, № 2, с. 5 – 13. / Sidorenko E.S., Fadeev A.A., Agafonov A.V. Osobennosti mediko-biologicheskoj ocenki bezo­pasnosti nanomaterialov [Features of the biomedical safety assessment of nanomaterials]. Klinicheskaya fiziologiya krovoobrashheniya [Clinical physiology of blood circulation], 2014, no. 2, p. 5 – 13. (In Russ.).
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Влияние алюмосиликатных ценосфер на структуру и свойства эластомерных
композиционных материалов на основе этилен-пропилен-диеновых эластомеров

К. В. Сухарева, И. А. Михайлов, Н. О. Беляева, А. Д. Булучевская,
М. Е. Михайлова, Т. И. Чалых, Л. Р. Люсова, А. А. Попов

Изучено влияние различной концентрации алюмосиликатных ценосфер зол-уноса на структуру и свойства эластомерных композитов. С помощью лабораторных вальцев были получены композиционные материалы на основе этилен-пропилен-диенового каучука (СКЭПТ-40) с различными массовыми долями золы-уноса (10, 20 и 30 %). Методом оптической микроскопии изучена микроструктура смесей СКЭПТ и алюмосиликатных ценосфер. Показано, что содержание наполнителя более 30 масс. % увеличивает содержание в структуре более крупных агломератов ценосфер, что свидетельствует о межфазном разделении в смесях, вероятно, связанном с тем, что механическое смешение на смесительном оборудовании не позволяет добиться равномерного распределения наполнителя по всей эластомерной матрице. На ИК-спектрах зафиксировано появление новых полос поглощения в области 1400 – 800 см–1, соответствующих валентным колебания Si – O – Si, присутствующим в алюмосиликатных ценосферах. Согласно данным термогравиметрии исследуемых композиций, введение алюмосиликатных ценосфер способствовало незначительному повышению термостойкости исследуемой композиции с содержанием ценосфер более 30 %. Было проанализировано влияние концентрации алюмосиликатных ценосфер на стойкость композитов к агрессивным средам и установлено, что введение ценосферного наполнителя в количестве от 10 до 30 масс. % в смеси на основе СКЭПТ может повышать маслобензостойкость материалов.

Ключевые слова: алюмосиликатные ценосферы зол-уноса, полимерный композит, этилен-пропилен-диеновый каучук, СКЭПТ, оптическая микроскопия, термические свойства, ИК-спектроскопия, стойкость к агрессивным средам.

DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-41-50
Сухарева Ксения Валерьевна — Лаборатория физико-химии синтетических и природных полимеров Федерального государственного бюджетного научного учреждения Институт биохимической физики
им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук (119334, Москва, ул. Косыгина, 4); Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова (1117997, Москва, ул. Зацепа, 43), кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник, специалист в области физико-химии композиционных полимерных материалов. E-mail: sukhareva.kv@rea.ru.
Михайлов Игорь Анатольевич — Лаборатория физико-химии синтетических и природных полимеров Федерального государственного бюджетного научного учреждения Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук (119334, Москва, ул. Косыгина, 4); Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова (1117997, Москва, ул. Зацепа, 43), кандидат химических наук, специалист в области физико-химии композиционных полимерных материалов. E-mail: mikhaylov.ia@rea.ru.
Беляева Наталья Олеговна — Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова (1117997, Москва, ул. Зацепа, 43), студент. E-mail: nataly12022004@gmail.com.
Булучевская Анастасия Дмитриевна — Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова (1117997, Москва, ул. Зацепа, 43), студент. E-mail: buluchevskaya.a@edu.rea.ru.
Михайлова Мария Евгеньевна — Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования “Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова” (1117997, Москва, ул. Зацепа, 43), студент. E-mail: mihaylova.me@rea.ru.
Чалых Татьяна Ивановна — Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова (1117997, Москва, ул. Зацепа, 43), доктор химических наук, профессор, специалист в области физико-химии композиционных полимерных материалов.
E-mail: tchalykh.ti@rea.ru
Люсова Людмила Ромуальдовна — Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова Федерального государственного бюджетного образовательного учреждени высшего образования “МИРЭА — Российский технологический университет” (119435, Москва, ул. Малая Пироговская, 1), доктор технических наук, профессор, специалист в области эластомерных материалов. E-mail: lyusova@mirea.ru.
Попов Анатолий Анатольевич — Лаборатория физико-химии синтетических и природных полимеров Федерального государственного бюджетного научного учреждения Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук (119334, Москва, ул. Косыгина, 4); Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова (1117997, Москва, ул. Зацепа, 43), доктор химических наук, профессор, специалист в области физико-химии композиционных полимерных материалов. E-mail: popov.ana@rea.ru.
Ссылка на статью:
Сухарева К.В., Михайлов И.А., Беляева Н.О., Булучевская А.Д., Михайлова М.Е., Чалых Т.И., Люсова Л.Р., Попов А.А. Влияние алюмосиликатных ценосфер на структуру и свойства эластомерных композиционных материалов на основе этилен-пропилен-диеновых эластомеров. Перспективные материалы, 2024, № 2, с. 41 – 50. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-41-50
Литература содержит 27 ссылок.

См. подробнее о статье на сайте e-library
Литература/References
к статье Сухарева К.В., Михайлов И.А., Беляева Н.О., Булучевская А.Д., Михайлова М.Е., Чалых Т.И., Люсова Л.Р., Попов А.А. Влияние алюмосиликатных ценосфер на структуру и свойства эластомерных композиционных материалов на основе этилен-пропилен-диеновых эластомеров. Перспективные материалы, 2024, № 2, с. 41 – 50. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-41-50
1. Xu Y., Ai W., Zuo J., Yang W., Wei C., Xu S. Mesoporous spherical silica filler prepared from coal gasification fine slag for styrene butadiene rubber reinforcement and promoting vulcanization. Polymers, 2022, v. 14, https://doi.org/10.3390/polym14204427.
2. Yao Weiyu, Zhao Yanjun, Wu Kai, Han Lei, Cai Haifeng, Guo Weihong. Effect of fly ash on the structure and properties of polyolefin elastomer/fly ash/polypropylene composites. Materials Research Express, 2018, v. 6(2). https://doi.org/10.1088/2053-1591/aaed18.
3. Aydin E., Arel H.Ş. Characterization of high-volume fly-ash cement pastes for sustainable construction appli­cations. Constr. Build. Mater, 2017, v. 157, pp. 96 – 107. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat. 2017.09.089
4. Rafieizonooz M., Mirza J., Salim M.R., Hussin M.W., Khankhaje. Investigation of coal bottom ash and fly ash in concrete as replacement for sand and cement. Constr. Build. Mater., 2016, v. 116, pp. 15 – 24. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.04.080
5. Wang H., Zhu M.G., Sun Y.Q., Ji R., Liu L.L., Wang X.D. Synthesis of a ceramic tile base based on high-alumina fly ash. Constr. Build. Mater., 2017, pp. 930 – 938. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.07.049
6. Leiva C., Rodriguez-Galan M., Arenas C., Alonso-Farinas B., Peceno B. A mechanical, leaching and radiological assessment of fired bricks with a high content of fly ash. Ceram. Int., 2018, v. 44, pp. 13313 – 13319. https://doi.org/10.1016/j.ceramint. 2018.04.162
7. Mohamad Altaweel A.M.A, Ranganathaiah C., Siddaramaiah. Erratum: positron lifetime spectroscopy and differential scanning calorimetric study of polystyrene-based composites with fly ash, cenospheres, and calcium aluminosilicate as fillers. J. Appl. Polym. Sci., 2011, pp. 3087 – 3094. https://doi.org/10.1002/app.33066
8. Trino A.S.M., Costa C.S.M.F., Fonseca A.C., Barata I., Julio E., Serra A. C., Coelho J.F.J. Novel composites from green unsaturated polyesters and fly ashes: preparation and characterization. React. Funct. Polym., 2016, v. 106, pp. 24 – 31. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2016.07.004
9. Rajkumar G.K., Srinivasan K., Umapathy M.J. Structural analysis and mechanical properties of lignite fly-ashadded jute-epoxy polymer matrix composite. J. Reinf. Plast. Comp., 2017, v. 37, p. 90 – 104. https://doi.org/10.1177/0731684417735183
10. Nikhil Gupta, Balraj Singh Brar, Eyassu Woldesenbet. Effects of filler addition on the compressive and impact properties of glass fibre reinforced epoxy. Bull Mater Sci, 2001, v. 24, pp. 219 – 223. https://link.springer.com/article/10.1007/BF02710105
11. Hegde S., Padmaraj N.H., Siddesh V., Sunaya T.S., Adithya Kini K., Sanil V.K. Experimental investigation of mechanical sustainability and acoustic performance of fly ash cenosphere/epoxy polymer composites. Journal of King Saud University. Engineering Sciences, 2021. https://doi.org/10.1016/j.jksues.2021.11.002
12. Satapathy S., Nando G.B. Mechanical, dynamic mechanical, and thermal characterization of fly ash and nanostructured fly ash waste polyethylene/high-density polyethylene blend composites. Polym. Composite, 2015, v. 37, pp. 3256 – 3268. https://doi.org/10.1002/pc.23524
13. Besco S., Brisotto M., Gianoncelli A., Depero L.E., Bontempi E., Lorenzetti A., Modesti M. Processing and properties of polypropylene-based composites containing inertized fly ash from municipal solid waste incineration. J. Appl. Polym. Sci., 2013, v. 130, pp. 4157 – 4164. https://doi.org/10.1002/app.39692
14. Besco S., Bosio A., Brisotto M., Depero L.E., Lorenzetti A., Bontempi E., Bonora R., Modesti M. Structural and mechanical characterization of sustainable composites based on recycled and stabilized fly ash. Materials, 2014, v. 7 (8), pp. 5920 – 5933. https://doi.org/10.3390/ma7085920
15. Suryasarathi Bose, Mahanwar P.A.. Effect Of Flyash On The Mechanical, Thermal, Dielectric, Rheological And Morphological Properties Of Filled Nylon. Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering, 2004, v. 3, no. 2, pp. 65 – 89. https://www.scirp.org/journal/paperinformation.aspx?paperid=20302
16. Rybiński, P., Żukowski, W. & Bradło, D. Influence of cenosphere particles on thermal properties composites of silicon rubber. J Therm Anal Calorim, 2015, v. 122, pp. 1307 – 1318. https://doi.org/10.1007/s10973-015-4829-0
17. Rybiński P., Syrek B., Bradło D., Żukowski W., Anyszka R., Imiela M. Influence of cenospheric fillers on the thermal properties, ceramisation and flammability of nitrile rubber composites. Journal of Composite Materials, 2018, v. 52(20), pp. 2815 – 2827. https://doi.org/10.1177/0021998318754996.
18. Sreekanth M.S., Joseph S., Mhaske S.T., Mahanwar P.A., Bambole V.A. Effects of mica and flyash concentration on the properties of polyester thermoplastic elastomer composites. J Thermoplast Compos Mater, 2011, v. 24, pp. 317 – 331. https://doi.org/10.1177/0892705710389293.
19. Ramesan MT. Effect of fly ash on thermal stability, flammability, oil resistance and transport properties of chlorinated styrene butadiene rubber composites. Journal of Elastomers & Plastics, 2014, v. 46(4), pp. 303 – 324. https://doi.org/10.1177/ 0095244312468440
20. Qiao J., Amirkhizi A.V., Schaaf K., Nemat-Nasser S. Dynamic mechanical analysis of fly ash filled poly­urea elastomer. Journal of Engineering Materials and Technology, 2010, v. 133(1). https://doi.org/10.1115/1.400260.
21. Ren X., Sancaktar E. Use of fly ash as eco-friendly filler in synthetic rubber for tire applications. Journal of Cleaner Production, 2018, v. 206, pp. 374 – 382. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.09.202.
22. Panitchakarn P., Wikranvanich J., Phisalaphong, M. Synthesis and characterization of natural rubber/coal fly ash composites via latex aqueous microdispersion. Journal of Material Cycles and Waste Management, 2018, v. 21(1), pp. 134 – 144. https://doi.org/10.1007/s10163-018-0774-x.
23. Yao W., Zhao Y., Wu K., Han L., Cai H., Guo W. Effect of fly ash on the structure and properties of polyolefin elastomer/fly ash/polypropylene composites. Materials Research Express, 2018, v. 6(2). https://doi.org/10.1088/2053-1591/aaed18.
24. Sombatsompop N., Thongsang S., Markpin T., Wimolmala E. Fly ash particles and precipitated silica as fillers in rubbers. I. Untreated fillers in natural rubber and styrene-butadiene rubber compounds. Journal of Applied Polymer Science, 2004, v. 93(5), pp. 2119 – 2130. https://doi.org/10.1002/app.20693.
25. Dzhurkov V., Nesheva D., Scepanovic M., Nedev N., Kaschieva S., Dmitriev S.N., Popovic Z. Spectroscopic studies of SiOx films irradiated with high energy electrons. J. Phys. Conf. Ser., 2014, v. 558. https://doi.org/10.1088/1742-6596/558/1/012045.
26. Battisha I.K., Beyally A.E., Mongy S.A.E., Nahrawi A.M. Development of the FTIR properties of nano-structure silica gel doped with different rare earth elements, prepared by sol–gel route. J. Sol. Gel. Sci. Technol., 2007, v. 41, pp. 129 – 137. https://link.springer.com/article/10.1007/s10971-006-0520-z.
27. Saikia B.J., Gopalakrishnarao Parthasarathy G. Fourier transform infrared spectroscopic characterization of kaolinite from Assam and Meghalaya, Northeastern India. J Mod Phys, 2010, v. 1, pp. 206 – 210. https://doi.org/10.4236/jmp.2010.14031.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Никельсодержащие нанокомпозиты на основе изотактического полипропилена
и полиэтилена высокого давления

Н. И. Курбанова, С. К. Рагимова, Т. М. Гулиева

Исследовано влияние добавок нанонаполнителей (НН), содержащих наночастицы (НЧ) оксидов никеля, стабилизированные полимерной матрицей полиэтилена высокого давления (ПЭ), полученные механохимическим методом, на особенности структуры и свойств металлсодержащих нанокомпозитов на основе изотактического полипропилена (ПП) и полиэтилена высокого давления (ПЭ). Использованы методы дифференциально-термического (ДТА) и рентгенофазового (РФА) анализов и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Выявлено улучшение прочностных, деформационных и реологических показателей, а также термоокислительной стабильности полученных нанокомпозитов. Это, по-видимому, связано с синергетическим эффектом межфазного взаимодействия никельсодержащих наночастиц в матрице ПЭ с компонентами полимерной композиции ПП/ПЭ. Показано, что нанокомпозиты на основе ПП/ПЭ/НН могут быть переработаны как методом прессования, так и методами литья под давлением и экструзией, что расширяет сферы их применения.

Ключевые слова: изотактический полипропилен; полиэтилен высокого давления; металлсодержащие нанокомпозиты; наночастицы оксида никеля; физико-механические и термические свойства; ДТА, РФА, СЭМ анализы.

DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-51-57
Курбанова Нушаба Исмаил кызы — Институт полимерных материалов Министерства Науки и Образования Азербайджанской Республики (Сумгайыт, Азербайджан, Az5004, ул. С.Вургуна, 124), доктор химических наук, заведующая лабораторией, специалист в области разработки композиционных материалов, а также нанокомпозитов, на основе эластомеров и термопластов и их бинарных смесей. E-mail: ipoma@science.az; kurbanova.nushaba@mail.ru.
Рагимова Севиндж Кязим кызы — Институт полимерных материалов Министерства Науки и Образования Азербайджанской Республики (Сумгайыт, Азербайджан, Az5004, ул. С.Вургуна, 124), диссертант, специалист в области разработки композиционных материалов. E-mail: ipoma@science.az.
Гулиева Туркан Мушвиг кызы — Институт полимерных материалов Министерства Науки и Образования Азербайджанской Республики (Сумгайыт, Азербайджан, Az5004, ул. С.Вургуна, 124), кандидат химических наук, старший научный сотрудник, специалист в области разработки композиционных материалов. E-mail: ipoma@science.az.
Ссылка на статью:
Курбанова Н.И., Рагимова С.К., Гулиева Т.М. Никельсодержащие нанокомпозиты на основе изотактического полипропилена и полиэтилена высокого давления. Перспективные материалы, 2024, № 2, с. 51 – 57.
DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-51-57
Литература содержит 21 ссылку.

См. подробнее о статье на сайте e-library
Литература/References
к статье Курбанова Н.И., Рагимова С.К., Гулиева Т.М. Никельсодержащие нанокомпозиты на основе изотактического полипропилена и полиэтилена высокого давления. Перспективные материалы, 2024, № 2, с. 51 – 57.
DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-51-57
1. Ермаков С.Н., Кравченко Т.П. Совместимость полимеров. Термодинамические и химические аспекты. Пласт. массы, 2012, № 4, с. 32 – 38. / Yermakov S.N., Kravchenko T.P. Sovmestimost’ polimerov. Termodinamicheskiye i khimicheskiye aspekty [Polymer compatibility. Thermodynamic and chemical aspects]. Plast.massy [Plast. Mass], 2012, no. 4, pp. 32 – 38. (In Russ.).
2. Новокшонов В.В., Мусин И.Н., Кимбельблат В.И. Зависимость свойств смесей ПП/ЭПК от состава композиции и характеристики полимеров. Пласт. массы, 2009, № 5, с. 7 – 10. / Novokshonov V.V., Musin I.N., Kimbel’blat V.I. Zavisimost’ svoystv smesey PP/EPK ot sostava kompozitsii i kharakteristiki polimerov [Dependence of the properties of PP/EPK mixtures on the composition and characteristics of polymers]. Plast.massy [Plast. Mass], 2009, no. 5, pp. 7 – 10. (In Russ.).
3. Кучменова Л.Х., Слонов А.Л., Жанситов А.А., Шелгаев В.Н., Хаширова С.Ю., Микитаев А.К. Исследование термических свойств полимер-полимерных композиций на основе полипропилена. Пласт. массы, 2014, № 7 – 8, с. 7 – 9. / Kuchmenova L.KH., Slonov A.L., Zhansitov A.A., Shelgayev V.N., Khashirova S.YU., Mikitayev A.K. Issledovaniye termicheskikh svoystv polimer-polimernykh kompozitsiy na osnove polipropilena [Investigation of the thermal properties of polymer-polymer compositions based on polypropylene]. Plast.massy [Plast. Mass], 2014, no. 7 – 8, pp. 7 – 9. (In Russ.).
4. Нигматулина А.И., Вольфсон С.И., Охотина Н.А., Шалдыбина М.С. Свойства дина­миче­ских термоэластопластов, содержащий модифициро­ванный полипропилен и слоистый наполнитель. Вестн. Казан. технол. ун-та, 2010, №. 9, с. 329 – 331. / Nigmatulina A.I, Vol’fson S.I., Okhotina N.A., Shaldybina M.S. Svoystva dinamicheskikh termoelastoplastov, soderzhashchiy modifitsirovannyy polipropilen i sloistyy napolnitel’ [Properties of dynamic thermoplastic elastomers containing modified polypropylene and layered filler]. Vestn. Kazan. tekhnol. un-ta [Bulletin of the Kazan Technological University], 2010, no. 9, pp. 329 – 331. (In Russ.).
5. Пересторонина З.А., Аблеев Р.И., Баранец И.В., Курлянд С.К. Влияние полимерных добавок на усиление межфазного взаимодействия в смесевых термоэластопластах. Каучук и резина, 2012, № 2, c. 13 – 16. / Perestoronina Z.A., Ableyev R.I., Baranets I.V., Kurlyand S.K. Vliyaniye polimernykh dobavok na usileniye mezhfaznogo vzaimodeystviya v smesevykh termoelastoplastakh [Influence of polymer additives on the enhancement of interfacial interaction in mixed thermoplastic elastomers]. Kauchuk i rezina [Rubber and rubber], 2012, no. 2, pp. 13 – 16. (In Russ.).
6. Заикин А.Е., Бобров Г.Б. Маслостойкий термо­эласто­пласт на основе смеси полипропилена и сополимера этилена с винилацетатом, вулканизированный по реакции гидросилилирования. Вест. Казан. технол. ун-та, 2013, т. 16, № 2, с. 105 – 108. / Zaikin A.Ye., Bobrov G.B. Maslostoykiy termoelasto­plast na osnove smesi polipropilena i sopolimera etilena s vinilatsetatom, vulkanizirovannyy po reaktsii gidrosililirovaniya. [Oil-resistant thermoplastic elastomer based on a mixture of polypropylene and a copolymer of ethylene with vinyl acetate, vulcanized by the hydrosilylation reaction]. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of the Kazan Technological University], 2013, v. 16, no. 2, pp. 105 – 108. (In Russ.).
7. Кахраманов Н.Т., Гулиев А.Д., Песецкий С.С. Динамически вулканизованные нанокомпозиты на основе рандом полипроплена, бутадиен-нитрильного каучука и каолина. Композиты и наноструктуры, 2019, № 4, c. 131 – 136. / Kakhramanov N.T., Guliyev A.D., Pesetskiy S.S. Dinamicheski vulkanizovannyye nanokompozity na osnove random poliproplena, butadiyen-nitril’nogo kauchuka i kaolina. [Dynamically vulcanized nanocomposites based on random polypropylene, nitrile butadiene rubber and kaolin]. Kompozity i nanostruktury [Composites and nanostructures], 2019, no. 4, pp. 131 – 136. (In Russ.).
8. Севастьянов Д.В., Дориомедов М.С., Дасковский М.И., Скрипачев С.Ю. Самоармирован­ные полимерные композиты — классификация, получение, механические свойства и применение (обзор). Электронный научный журнал “Труды ВИАМ”, 2017, № 4, c. 104 – 118. / Sevast’yanov D.V., Doriomedov M.S., Daskovskiy M.I., Skripachev S.Yu. Samoarmirovannyye polimernyye kompozity — klassifikatsiya, polucheniye, mekhanicheskiye svoystva i primeneniye (obzor) [Self-reinforced polymer composites — classification, preparation, mechanical properties and applications (review)]. Elektronnyy nauchnyy zhurnal “Trudy VIAM” [Electronic scientific journal “VIAM Transactions”], 2017, no. 4, pp. 104 – 118. (In Russ.).
9. Суздалев. И.П., Суздалев П.И. Нанокластеры и нанокластерные системы. Успехи химии, 2001, т. 70, № 3, с. 203 – 240. / Suzdalev I.P., Suzdalev P.I. Nanoklastery i nanoklasternye sistemy [Nanoclusters and nanocluster systems]. Uspekhi khimii [Russian chemical reviews], 2001, v. 70, no. 3, pp. 203 – 240. (In Russ.).
10. Михайлин Ю.А. Полимерные нанокомпозиционные материалы. Полимерные материалы, 2009, № 7, с. 10 – 13. / Mikhaylin Yu.A. Nanokompozitniye polimerniye materially [Polymer nanocomposition materials]. Polimernye materialy [Polymer materials], 2009, no. 7, pp. 10 – 13. (In Russ.).
11. Joseph H. Koo. Polymer nanocomposites. Processing, characterization and applications. New York: McGraw-Hill. Nanoscience and Technology Series, 2006, 289 p.
12. Третьяков А.О. Полимерные нанокомпозиты — материалы XXI века. Оборудование и инструменты для профессионалов, 2003, № 2 (37), c. 18 – 20. / Tretyakov A.O. Polimernye nanokompozity — materialy XXI veka [Polymer nanocomposites – materials of XXI century]. Oborudovaniye i instrument dlya professionalov [Equipment and instruments for professionals], 2003, no. 2(37), pp. 18 – 20. (In Russ.).
13. Фостер Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности. М.: Техносфера, 2008, 352 с. / Foster L.E. Nanotechnology: Science, innovation and opportunities. Prentice Hall Publ., 2005, 336 p.
14. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия, 2000, 672 с. / Pomogaylo A.D., Rozenberg A.S., Uflyand I.E. Nanochastitsy metallov v polimerakh [Nanoparticles of metals in polymers], Moscow, Khimiya Publ., 2000, 672 p. (In Russ.).
15. Cubin S.P., Yurkov G.Yu., Kosobudsky I.D. Nanomaterials based on metal-containing nanoparticles in polyethylene and other carbon — chain polimers. International Journal of Materials and Product Technology, 2005, v. 23, no. 1 – 2, pp. 2 – 25.
16. Zeynalov E.B., Kurbanova N.I., Mirzoeva N.A., Dunyamaliyeva A.I., Ishenko N.Ya. Obtaining a polyethylene composition containing metal nano­particles. 6th International Caucasian Symposium on Polymers & Advanced Materials. Georgia, Batumi, 17 – 20 July 2019, Book of abstracts, p. 116.
17. Kurbanova N.I., Alimirzoeva N.A., Guseinova Z.N., Nurullayeva D.R. Ecological method of preparation of metal-containing nanoparticles in polyethylene matrix ITWCCST 2017. Baku, Azerbaijan, 10-13 Sept. 2017. Book of Proceedings, p. 24 – 26.
18. Практикум по химии и физике полимеров. Под ред. В.Ф.Куренкова. М.: Химия,1990, 299 с. / Kurenkov V.F. Praktikum po chimii i physike polimerov [Practical work on the chemistry and physics of polymers]. Moscow, Khimiya Publ., 1990, 299 p. (In Russ.).
19. Помогайло А.Д. Молекулярные полимер-поли­мерные композиции. Синтетические аспекты. Успехи химии, 2002, т. 71, №1, c. 5 – 38. / Pomogaylo A.D. Molekulyarnyye polimer-polimernyye kompozitsii. Sintecheskiye aspekty [Molecular polymer-polymer compositions. Synthetic Aspects]. Uspekhi khimii [Russian chemical reviews], 2002, v. 71, no. 1, pp. 5 – 38. (In Russ.).
20. Кулезнев В.Н. Смеси и сплавы полимеров. Конспект лекций. СПб.: Научные основы и технологии, 2013, 216 с. / Kuleznev V.N. Smesi i splavy polimerov. Konspekt lektsiy [Mixtures and alloys of polymers. Lecture notes.]. SPb.: Nauchnyye osnovy i tekhnologii Publ., 2013, 216 p. (In Russ.).
21. Энциклопедия полимеров. М.: Совет. Энциклопедия, 1974, т. 2, 328 с. / Enziklopediya polimerov [Encyclopaedia of polymers]. Мoscow, Soviet Encyclopedia Publ., 1974, v. 2, 328 p. (In Russ.).
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Теплопроводность керамических композитов YAG:Nd + Mo, полученных методом
электроимпульсного плазменного спекания

Л. С. Алексеева, А. В. Нохрин, А. И. Орлова, М. С. Болдин,
Е. А. Ланцев, А. А. Мурашов, В. Н. Чувильдеев,
Н. Ю. Табачкова, Н. В. Сахаров, А. А. Москвичев

Исследована микроструктура и теплофизические свойства (удельная теплоемкость, температуропроводность, теплопроводность) мелкозернистых керамических композитов на основе иттрий-алюминиевого граната Y2,5Nd0,5Al5O12(YAG:Nd) с различным содержанием молибдена (10, 20 и 40 об. %). Субмикронные порошки граната состава Y2,5Nd0,5Al5O12 получены методом соосаждения, порошковые композиции YAG:Nd + Mo со структурой “ядро YAG:Nd – оболочка Mo” — осаждением молибдена на поверхность частиц граната, образцы керамических композитов — методом электроимпульсного (“искрового”) плазменного спекания (ЭИПС). Для исследования микроструктуры и фазового состава композитов использовали методы электронной микроскопии и рентгенофазового анализа. Композиты YAG:Nd + Mo имеют высокую относительную плотность (98,1 – 99 %) и однородную мелкозернистую микроструктуру с размером зерна граната 2 – 3 мкм. Спеченные композиты YAG:Nd + Mo при комнатной и повышенной температурах (до 1100 °С) имеют высокий коэффициент теплопроводности, превышающий коэффициент теплопроводности диоксида урана UO2, что позволяет использовать данные материалы в качестве термостойких инертных топливных матриц. Показано, что повышенная теплопроводность композитов обеспечивается при содержании не менее 20 об. % Mo. В композитах с добавкой 20 % и 40 % Mo коэффициент теплопроводности при 1100 °С достигает 7,0 и 8,8 Вт·м–1·К–1, соответственно.

Ключевые слова: керамические композиты, гранат, теплофизические свойства.

DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-58-68
Алексеева Людмила Сергеевна —Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (603022, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23), младший научный сотрудник, специалист в области синтеза. E-mail: golovkina_lyudmila@mail.ru.
Нохрин Алексей Владимирович —Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (603022, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23), доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, специалист в области диффузионных процессов. E-mail: nokhrin@nifti.unn.ru.
Орлова Альбина Ивановна — Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (603022, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23), доктор химических наук, главный научный сотрудник, специалист в области синтеза новых материалов. E-mail: albina.orlova@gmail.com.
Болдин Максим Сергеевич — Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (603022, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23), кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, специалист в области электроимпульсного (искрового) плазменного спекания. E-mail: boldin@nifti.unn.ru.
Ланцев Евгений Андреевич —Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (603022, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23), б/с, младший научный сотрудник, специалист в области электроимпульсного (искрового) плазменного спекания. E-mail: elancev@nifti.unn.ru.
Мурашов Артем Александрович —Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (603022, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23), инженер, специалист в области электронной микроскопии. E-mail: aamurashov@nifti.unn.ru.
Чувильдеев Владимир Николаевич —Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (603022, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23), доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, специалист в области диффузионных процессов. E-mail: chuvildeev@nifti.unn.ru.
Табачкова Наталия Юрьевна — НИТУ “МИСИС” (119049 Москва, Ленинский пр-т, 4), кандидат физико-математических наук, доцент, специалист в области просвечивающей электронной микроскопии. E-mail:
ntabachkova@misis.ru.
Сахаров Никита Владимирович — Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (603022, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23), младший научный сотрудник, специалист в области растровой электронной микроскопии. E-mail: nvsaharov@nifti.unn.ru.
Москвичев Александр Александрович — Институт проблем машиностроения РАН – филиал ФИЦ Институт прикладной физики РАН (603024, Нижний Новгород, ул. Белинского, 85), кандидат технических наук, старший научный сотрудник, специалист в области дифференциальной сканирующей калориметрии. E-mail: triboman@mail.ru.
Ссылка на статью:
Алексеева Л.С., Нохрин А.В., Орлова А.И., Болдин М.С., Ланцев Е.А., Мурашов А.А., Чувильдеев В.Н., Табачкова Н.Ю., Сахаров Н.В., Москвичев А.А. Теплопроводность керамических композитов YAG:Nd + Mo, полученных методом электроимпульсного плазменного спекания. Перспективные материалы, 2024, № 2, с. 58 – 68. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-58-68
Литература содержит 34 ссылки.

См. подробнее о статье на сайте e-library
Литература/References
к статье Алексеева Л.С., Нохрин А.В., Орлова А.И., Болдин М.С., Ланцев Е.А., Мурашов А.А., Чувильдеев В.Н., Табачкова Н.Ю., Сахаров Н.В., Москвичев А.А. Теплопроводность керамических композитов YAG:Nd + Mo, полученных методом электроимпульсного плазменного спекания. Перспективные материалы, 2024, № 2, с. 58 – 68. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-58-68
1. Orlova A.I., Ojovan M.I. Ceramic mineral waste-forms for nuclear waste immobilization. Materials, 2019, v. 12, no. 16, art. 2638.
2. Yudintsev S.V., Nickolsky M.S., Ojovan M.I., Stefanovsky O.I., Nikonov B.S., Ulanova A.S. Zirconolite polytypes and murataite polysomes in matrices for the REE. Actinide fraction of HLW. Materials, 2022, v. 15, no. 17, art. 6091.
3. Wei G., Liu X., Chen S., Shao D., Yuan W., Lu X., Xie Y., Shu X. Direct immobilization of simulated nuclear waste in performed Gd2Zr2O7 pyrochlore via spark plasma sintering reaction. Materials Chemistry and Physics, 2022, v. 291, art. 126711.
4. Caurant D., Loiseau P., Aubin-Chevaldonnet V., Gourier D., Majérus O., Bardez-Giboire I. Studies on ceramics and glass-ceramics for immobilization of high-level nuclear wastes. In Book: Nuclear materials research developments. Ed. by Keister J.E. Nova Science Publishers, Hauppauge, NY, USA, 2007, 411 p.
5. Wang L., Liang T. Ceramics for high level radioactive waste solidification. Journal of Advanced Ceramics, 2012, v. 1, no. 3, pp. 194 – 203.
6. Папынов Е.К., Белов А.А., Шичалин О.О., Буравлев И.Ю., Азон С.А., Гридасова Е.А., Паротькина Ю.А., Ягофаров В.Ю., Драньков А.Н., Голуб А.В., Тананаев И.Г. Синтез перовскито­подобной керамики SrTiO2 для иммобилизации радиоактивного стронция по технологии реакцион­ного искрового плазменного спекания. Журнал неорганической химии, 2021, т. 66, № 5, с. 592 – 600. / Papynov E.K., Belov A.A., Shichalin O.O., Buravlev I.Yu., Azon S.A., Gridasova E.A., Parotkina Yu.A., Yagofarov V.Yu., Drankov A.N., Golub A.V., Tananaev I.G. Synthesis of perovskite-like SrTiO2 ceramics for radioactive strontium immobilization by spark plasma sintering-reactive synthesis. Russian Journal of Inorganic Chemistry, 2021, v. 66, pp. 645 – 653.
7. Mikhailov D.A., Orlova A.I., Malanina N.V., Nokhrin A.V., Potanina E.A., Chuvil’deev V.N., Boldin M.S., Sakharov N.V., Belkin O.A., Kalenova M.Yu., Lantcev E.A. A study of fine-grained ceramics based on complex oxides ZrO2-Ln2O3 (Ln = Sm, Yb) obtained by spark plasma sintering for inert matrix fuel. Ceramics International, 2018, v. 44, no. 15, pp. 18595 – 18608.
8. Chauvin N., Konings R.J., Matzke H. Optimization of inert matrix fuel concepts for americium transmutation. Journal of Nuclear Materials, 1999, v. 274, no. 1 – 2, pp. 105 – 111.
9. Neeft E.A.C., Bakker K., Schram R.P.C., Conrad R., Konings R.J.M. The EFTTRA-T3 irradiation experiment on inert matrix fuels. Journal of Nuclear Materials, 2003, v. 320, no. 1 – 2, pp. 106 – 116.
10. Golovkina L.S., Orlova A.I., Boldin M.S., Sakharov N.V., Chuvil’deev V.N., Nokhrin A.V., Konings R., Staicu D. Development of composite ceramic materials with improved thermal conductivity and plasticity based on garnet-type oxides. Journal of Nuclear Materials, 2017, v. 489, pp. 158 – 163.
11. Potanina E., Golovkina L., Orlova A., Nokhrin A., Boldin M., Sakharov N. Lanthanide (Nd, Gd) compounds with garnet and monazite structures. Powders synthesis by “wet” chemistry to sintering ceramics by Spark Plasma Sintering. Journal of Nuclear Materials, 2016, v. 473, pp. 93 – 98.
12. Лившиц Т.С. Изоморфизм актиноидов и РЗЭ в синтетических ферритных гранатах. Геология рудных месторождений, 2010, т. 52, № 1, с. 53 – 64. / Livshits T.S. Isomorphism of actinides and REE in synthetic ferrite garnets. Geology of Ore Deposits, 2010, v. 52, no. 1, pp. 46 – 57.
13. Томилин С.В., Лизин А.А., Лукиных А.Н., Лившиц Т.С. Радиационная и химическая устой­чивость алюмоиттриевого граната. Радиохимия, 2011, т. 53, № 2, с. 162 – 165. / Tomilin S.V., Lizin A.A., Lukinykh A.N., Livshits T.S. Radiation resistance and chemical stability of yttrium aluminum garnet. Radiochemistry, 2011, v. 53, no. 2, pp.186 – 190.
14. Лившиц Т.С., Лизин А.А., Джанг Дж., Юинг Р.Ч. Аморфизация редкоземельных алюминатных гранатов при ионном облучении и распаде примеси 244Cm. Геология рудных месторождений, 2010, т. 52, № 4, с. 297 – 309. / Livshits T.S., Lizin A.A., Zhang J.M., Ewing R.C. Amorphization of rare earth aluminate garnets under ion irradiation and decay of 244Cm admixture. Geology of Ore Deposits, 2010, v. 52, p. 267 – 278.
15. Zagumennyi A.I., Lutts G.B., Popov P.A., Sirota N.N., Shcherbakov I.A. The thermal conductivity of YAG and YSAG laser crystals. Laser Physics, 1993, v. 3, pp. 1064 – 1065.
16. Wang J., Xu F., Wheatley R.J., Neate N., Hou X. Yb3+ doping effects on thermal conductivity and thermal expansion of yttrium aluminium garnet. Ceramics International, 2016, v. 42, iss. 12, pp. 14228 – 14235.
17. Tokita M. Progress of spark plasma sintering (SPS) method, systems, ceramics applications and industrialization. Ceramics, 2021, v. 4, no. 2, pp. 160 – 198.
18. Orlova A.I. Crystalline phosphates for HLW immobilization – composition, structure, properties and production of ceramics. Spark Plasma Sintering as a promising sintering technology. Journal of Nuclear Materials, 2022, v. 559, art. 153407.
19. Salvato D., Vigier J.-F., Cologna M., Luzzi L., Somers J., Tyrpekl V. Spark plasma sintering of fine uranium carbide powder. Ceramics International, 2017, v. 43, no. 1, part A, pp. 866 – 869.
20. Yang K., Kardoulaki E., Zhao D., Broussard A., Metzger K., White J.T., Sivack M.R., Mcclellan K.J., Lahoda E.J., Lian J. Uranium nitride (UN) pellets with controllable microstructure and phase – fabrication by spark plasma sintering and their thermal-mechanical and oxidation properties. Journal of Nuclear Materials, 2021, v. 557, art. 153272.
21. Шичалин О.О., Папынов Е.К., Майоров В.Ю., Белов А.А., Модин Е.Б., Буравлев И.Ю., Азарова Ю.А., Голуб А.В., Гридасова Е.А., Сухорада А.Е., Тананаев И.Г., Авраменко В.А. Искровое плазменное спекание алюмосиликатных керамических матриц для иммобилизации радионуклидов цезия. Радиохимия, 2019, т. 61, № 2, с. 135 – 141. / Shichalin O.O., Papynov E.K., Maiorov V.Y., Belov A.A., Modin E.B., Buravlev I.Yu., Azarova Yu.A., Golub A.V., Gridasova E.A., Sukhorada A.E., Tananaev I.G., Avramenko V.A. Spark plasma sintering of aluminosilicate ceramic matrices for immobilization of cesium radionuclides. Radiochemistry, 2019, v. 61, pp. 185 – 191.
22. Алексеева Л.С., Нохрин А.В., Орлова А.И., Болдин М.С., Ланцев Е.А., Мурашов А.А., Корченкин К.К., Рябков Д.В., Чувильдеев В.Н. Керамика на основе фосфата NaRe2(PO4)3 со структурой коснарита как матрица для иммобилизации технеция. Неорганические материалы, 2022, т. 58, № 3,с. 341 – 348. / Alekseeva L.S., Nokhrin A.V., Orlova A.I., Boldin M.S., Lantsev E.A., Murashov A.A., Korchenkin K.K., Ryabkov D.V., Chuvil’deev V.N. Ceramics based on the NaRe2(PO4)3 phosphate with the kosnarite structure as waste forms for technetium immobilization. Inorganic Materials, 2022, v. 58, no. 3, pp. 325 – 332.
23. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Белов А.А., Буравлев И.Ю., Портнягин А.С., Азон С.А., Шлык Д.Х., Буравлева А.А., Паротькина Ю.А., Непомнющая В.А., Корнакова З.Э., Гридасова А.В., Тананаев И.Г., Сергиенко В.И. Синтез минерало­подобной керамики SrWO4 со структурой шеелита и радиоизотопного изделия на ее основе. Журнал неорганической химии, 2021, т. 66, № 9, с. 1346 – 1359. / Papynov E.K., Shichalin O.O., Belov A.A., Buravlev I.Yu., Portnyagin A.S., Azon S.A., Shlyk D.Kh., Buravleva A.A., Parot’kina Yu.A., Nepomnyushchaya V.A., Kornakova Z.E., Gridasov A.V., Tananaev I.G., Sergienko V.I. Synthesis of mineral-like SrWO4 ceramics with the scheelite structure and a radioisotope product based on it. Russian Journal of Inorganic Chemistry, 2021, v. 66, pp. 1434 – 1446.
24. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Мироненко А.Ю., Ряков А.В., Манаков И.В., Махров П.В., Буравлев И.Ю., Тананаев И.Г., Авраменко В.А., Сергиенко В.И. Синтез высокоплотных таблеток из порошков диоксида урана методом электроимпульсного спекания под давлением в пресс-формах различного типа. Радиохимия, 2018, т. 60, № 4, с. 311 – 318. / Papynov E.K., Shichalin O.O., Mironenko A.Y., Ryakov A.V., Manakov I.V., Makhrov P.V., Buravlev I.Yu., Tananaev I.G., Avramenko V.A., Sergienko V.I. Synthesis of high-density pellets of uranium dioxide by spark plasma sintering in dies of different types. Radiochemistry, 2018, v. 60, pp. 362 – 370.
25. Papynov E.K., Shichalin O.O., Medkov M.A., Grishchenko D.N., Tkachenko I.A., Golub A.V., Buravlev I.Y., Tananaev I.G., Avramenko V.A., Fedorets A.N., Pechnikov V.S. Spark plasma sintering of special-purpose functional ceramics based on UO2, ZrO2, Fe3O4/α-Fe2O3. Glass Physics and Chemistry, 2018, v. 44, no. 6, pp. 632 – 640.
26. Johnson K.D., Wallenius J., Jolkkonen M., Claisse A. Spark plasma sintering and porosity studies of uranium nitride. Journal of Nuclear Materials, 2016, v. 473, pp. 13 – 17.
27. Cologna M., Tyrpekl V., Ernstberger M., Stohr S., Somers J. Sub-micrometre grained UO2 pellets consolidated from sol gel beads using spark plasma sintering (SPS). Ceramics International, 2016, v. 42, no. 6, pp. 6619 – 6623.
28. Malkki P., Jolkkonen M., Hollmer T., Wallenius J. Manufacture of fully dense uranium nitride pellets using hydride derived powders with spark plasma sintering. Journal of Nuclear Materials, 2014, v. 452, no. 1 – 3, pp. 548 – 551.
29. Ge L., Subhash G., Baney R.H., Tulenko J.S., McKenna E. Densification of uranium dioxide fuel pellets prepared by spark plasma sintering (SPS). Journal of Nuclear Materials, 2013, v. 435, no. 1 – 3, pp. 1 – 9.
30. Golovkina L.S., Orlova A.I., Nokhrin A.V., Boldin M.S., Lantsev E.A., Chuvil’deev V.N., Sakharov N.V., Shotin S.V., Zelenov A.Yu. Spark plasma sintering of fine-grained ceramic-metal composites YAG:Nd-(W,Mo) based on garnet-type oxide Y2.5Nd0.5Al5O12 for inert matrix fuel. Journal of Nuclear Materials, 2018, v. 511, pp. 109 – 121.
31. Алексеева Л.С., Андреев П.В., Дрожилкин П.Д., Болдин М.С., Сметанина К.Е., Мурашов А.А., Каразанов К.О., Щербак Г.В. Электроимпульсное плазменное спекание керамики на основе Si2N2O. Неорганические материалы, 2022, т. 58, № 7, с. 801 – 806. / Alekseeva L.S., Andreev P.V., Drozhilkin P.D., Boldin M.S., Smetanina K.E., Murashov A.A., Karazanov K.O., Shcherbak G.V. Preparation of Si2N2O ceramics by spark plasma sintering. Inorganic Materials, 2022, v. 58, no. 7, pp. 772 – 777.
32. Sagi S., Hayun S. High-temperature heat capacity of SPS-processed Y3Al5O12 (YAG) and Nd:YAG. The Journal of Chemical Thermodynamics, 2016, v. 93, pp. 123 – 126.
33. Choudhury A., Brooks C.R. Contributions to the heat capacity of solid molybdenum in the range 300 – 2890 K. International Journal of Thermophysics, 1984, v. 5, no. 4, pp. 403 – 429.
34. Hargman D.L. MATPRO — Version 11. A Handbook of Materials Properties for use in the analysis of light water reactor fuel rod behavior (Idaho National Engineering Lab, Idaho Falls, USA, 1981).
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Синтез карбидов (Ti,Cr)xCy в сплаве ВТ6 методом прямого лазерного нанесения материалов

А. И. Горунов

Показана возможность формирования карбидов типа (Ti,Cr)xCy в сплаве ВТ6 методом прямого лазерного нанесения материалов (ПЛНМ). Новый способ синтеза карбидов типа (Ti,Cr)xCy заключается в предварительном лазерном плакировании углеродных волокон (УВ) хромом, добавлении их в порошковую смесь ВТ6 и сплавлении полученной композиции ПЛНМ. Таким образом был получен новый сплав ВТ6/УВ/Cr. В покрытии на углеродных волокнах (УВ/Cr) было выявлено формирование карбидов типа CrxCy. Появление карбидов CrxCy в образцах УВ/Cr обусловлено взаимодействием углерода с хромом в результате лазерной обработки. Средняя микротвердость сплава ВТ6/УВ/Cr составила 700 ± 100 HV0,01. При этом твердость обнаруженных карбидов (Ti,Cr)xCy в сплаве ВТ6/УВ/Cr составила 1000 ± 40 HV0,01. В процессе ПЛНМ углеродное волокно может растворяться полностью или частично. В композиционном материале ВТ6/УВ/Cr формируются карбиды (Ti,Cr)xCy. Показано, что твердость обнаруженных карбидов в 2 раза выше твердости композиционного материала. Установлено, что коэффициент трения сплава ВТ6 при повышенной нагрузке снижается в 1,5 раза после 20 мин испытаний, при этом коэффициент трения сплава ВТ6/УВ/Cr равен 0,27.

Ключевые слова: прямое лазерное нанесение материала, титан, сплав, углеродное волокно, композиционный материал.

DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-69-76
Горунов Андрей Игоревич — Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, КНИТУ-КАИ (420111, Казань, ул. К. Маркса, 10), докт. техн. наук, профессор, специалист в области лазерных и аддитивных технологий E mail: gorunow.andrej@yandex.ru.
Ссылка на статью:
Горунов А.И. Синтез карбидов (Ti,Cr)xCy в сплаве ВТ6 методом прямого лазерного нанесения материалов. Перспективные материалы, 2024, № 2, с. 69 – 76. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-69-76
Литература содержит 20 ссылок.

См. подробнее о статье на сайте e-library
Литература/References
к статье Горунов А.И. Синтез карбидов (Ti,Cr)xCy в сплаве ВТ6 методом прямого лазерного нанесения материалов. Перспективные материалы, 2024, № 2, с. 69 – 76. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-69-76
1. Wilms M.B., Rittinghaus S.-K., Goßling M., Gokce B. Additive manufacturing of oxide-dispersion strengthened alloys: Materials, synthesis and manufacturing. Progress in Materials Science, 2022, v. 133, art. 101049. 
2. Голковский М.Г., Полетика И.М., Салимов Р.А. Электронно-лучевая наплавка покрытий на титановые сплавы. Физика и химия обработки материалов, 2009, № 1, c. 56 – 64. / Golkovsky M.G., Poletika I.M., Salimov R.A. Elektronno-luchevaya naplavka pokrytiy na titanovyye splavy [Electron-beam surfacing of coatings on titanium alloys]. Fizika i khimiya obrabotki materialov [Physics and chemistry of materials treatment], 2009, no. 1,
pp. 56 – 64. (In Russ.).
3. Gorunov A.I. Investigation microstructure of carbon fibers reinforced composite on Fe and Ni-based obtained by laser metal deposition. Surface and Coatings Technology, 2019, no. 364, pp. 279 – 288.
4. Крапошин В.С., Кондратьев С.Ю., Талис А.Л., Анастасиади Г.П. Экспериментальное исследование in situ превращения карбида M7C3 в литом сплаве Fe–Cr–Ni. Физика металлов и металловедение, 2017, т. 118, № 3, с. 240 – 246. / Kraposhin V.S., Kondrat’ev S.Yu., Talis A.L., Anastasiadi G.P., Experimental investigation of in-situ transformations of the M7C3 carbide in the cast Fe–Cr–Ni alloy. Physics of Metals and Metallography, 2017, v. 118, no. 3, pp. 227 – 232.
5. Wang K., Li D., Formation of core (M7C3)-shell (M23C6) structured carbides in white cast irons: a thermo-kinetic analysis. Computational Materials Science, 2018, v. 154, pp. 111 – 121.
6. Gorunov A.I. Investigation of M7C3, M23C6 and M3C carbides synthesized on austenitic stainless steel and carbon fibers using laser metal deposition. Surface and Coatings Technology, 2020, v. 237(41), art. 126294.
7. Newman B., Creighton C., Henderson Luke C., Stojcevski F. A review of milled carbon fibres in composite materials. Composites. Part A: Applied Science and Manufacturing, 2022, v. 163, art. 107249.
8. Ильин А.А., Мамонов А.М., Скворцова С.В., Петров Л.М., Мамаев В.С. Некоторые иннова­ционные технологии в производстве медицинских имплантатов из титановых сплавов. Технология легких сплавов, 2007, № 3, c. 131 – 137. / Ilyin A.A., Mamonov A.M., Skvortsova S.V., Petrov L.M., Mamaev V.S. Nekotoryye innovatsionnyye tekhnologii v proizvodstve meditsinskikh implantatov iz titanovykh splavov [Some innovative technologies in the production of medical implants from titanium alloys]. Tekhnologiya legkikh splavov [Technology of light alloys], 2007, no. 3, pp. 131 – 137. (In Russ.).
9. Хорев А.И. Разработка конструкционных титановых сплавов для изготовления деталей и узлов авиакосмической техники. Сварочное производство, 2009, № 3, c. 13 – 23. / Khorev A.I. Razrabotka konstruktsionnykh titano­vykh splavov dlya izgotovleniya detaley i uzlov aviakosmicheskoy tekhniki [Development of structural titanium alloys for the manufacture of parts and assemblies of aerospace equipment]. Svarochnoye proizvodstvo [Welding production], 2009, no. 3, pp. 13 – 23. (In Russ.).
10. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. М.: ВИЛС – МАТИ, 2009, 520 c. / Ilyin A.A., Kolachev B.A., Polkin I.S. Titanovyye splavy. Sostav, struktura, svoystva [Titanium alloys. Composition, structure, properties]. Spravochnik, Moscow, VILS – MATI Publ., 2009, 520 p. (In Russ.).
11. Voevodin A.A., Rebholz C., Schneider J.M., Stevenson P., Matthews A. Wear resistant composite coatings deposited by electron enhanced closed field unbalanced magnetron sputtering. Surface and Coatings Technology, 1995, v. 73, no. 3, pp. 185 – 197.
12. Li Y., Gao Y., Xiao B., Min T., Yang Y., Ma S., Yi D. The electronic, mechanical properties and theoretical hardness of chromium carbides by first-principles calculations. Journal of Alloys and Compounds, 2011, v. 509, pp.5242 – 5249.
13. Furlan A., Lu J., Hultman L., Jansson U. Control of crystallinity in sputtered Cr–Ti–C films. Acta Materialia, 2013, v. 61, pp. 6352 – 6361. http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2013.06.045.
14. Сеплярский Б.С., Абзалов Н.И., Кочетков Р.А., Лисина Т.Г. Влияние содержания поливинилбутираля на синтез и фазовый состав продуктов горения гранулированных смесей Ti–Cr–C. Журнал физической химии, 2021, т. 95, № 12, с. 1842 – 1849. / Seplyarskiia B.S., Abzalov N.I., Kochetkov R.A., Lisina T.G. Effect of the content of polyvinyl butyral on the synthesis and phase composition of products of combustion of Ti–Cr–C granular mixtures. Russian Journal of Physical Chemistry A, 2021, v. 95, no. 12, pp. 2410 – 2416.
15. Калита В.И., Радюк А.А., Комлев Д.И., Михайлова А.Б., Алпатов А.В., Чуева Т.Р., Гамурар Н.В., Титов Д.Д. Керметы на основе TiC – Cr3C2– WC – TiB2 – SiC. Перспективные материалы, 2020, № 5, с. 61 – 80. / Kalita V.I., Radyuk A.A., Komlev D.I., Mikhailova A.B., Alpatov A.V., Chueva T.R., Gamurar N.V., Titov D.D. TiC–Cr3C2–WC–TiB2–SiC-based cermets. Inorganic Materials: Applied Research, 2020, v. 11, no. 5, pp. 1199 – 1213.
16. Liu Zhuo, Cheng Wei, Mu Dekui, Lin Qiaoli, Xu Xipeng, Huang Han. Growth mechanisms of interfacial carbides in solid-state reaction between single-crystal diamond and chromium. Journal of Materials Science & Technology, 2023, v. 144, pp. 138 – 149.
17. Mhadhbi M., Dağ İ.E., Avar B., Khitouni M., Schoenstein F., Jouini N. Spark plasma sintering of nanostructured TiCrC carbides prepared via mechanical alloying. Preprints, 2022, 2022120076. doi: 10.20944/preprints202212.0076.v1.
18. Guobing Ying, Xiaodong He, Mingwei Li, Shanyi Du, Wenbo Han, Fei He. Effect of Cr7C3 on the mechanical, thermal, and electrical properties of Cr2AlC. Journal of Alloys and Compounds, 2011, v. 509, pp. 8022 – 8027.
19. Zhifu Huang, Shengqiang Ma, Jiandong Xing, Sheng Sun. Bulk Cr7C3 compound fabricated by mechanical ball milling and plasma activated sintering. Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2014, v. 45, pp. 204 – 211.
20. Kuiying Chen, Linruo Zhao. Elastic properties, thermal expansion coefficients and electronic structures of Ti0.75X0.25C carbides. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2007, v. 68, pp. 1805 – 1811.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Фазовый состав и морфология поверхности бронзы БрО10С10
после ее электроискровой обработки анодным материалом аналогичного состава

Н. А. Панькин, С. А. Величко, В. П. Мишкин, С. В. Ильин

Методами растровой электронной микроскопии и рентгеновской дифрактометрии исследовано покрытие на поверхности бронзы БрО10С10, полученое электроискровой обработкой анодным материалом с составом аналогичным подложке-катоду. Рентгенографические исследования фазового состава выявили присутствие фаз системы “медь – олово” (Cu, α-(Cu; Sn), Cu3Sn, ε-Cu3Sn и Cu5,6Sn) и свинца. Внедрение элементов атмосферы и исходных компонентов бронзы в свинец приводит к формированию областей с искаженной кристаллической решеткой. Увеличение энергии одиночного импульса электроискрового разряда сопровождается уменьшением доли фазы α-(Cu; Sn) и ростом содержания ε-Cu3Sn и Cu5,6Sn. Соотношение интенсивностей дифракционных максимумов указывает на отсутствие преимущественной ориентации роста (текстуры) в электроискровом покрытии. Данные растровой электронной микроскопии указывают на присутствие в поверхностном слое оплавленных участков, пор, сферических и овальных включений, частиц неправильной формы, трещин, ямок округлой формы и т. д. Основной причиной наличия оплавленных участков являются высокие температуры в межэлектродной области при электроискровом разряде. Появление поверхностных трещин, прежде всего, связано с высокими термическими напряжениями и механическим контактом электродов. Наличие частиц со сферической/овальной формой является следствием взаимодействия жидких капель с поверхностью подложки-катода. Частицы неправильной формы появляются в результате взрывной эмиссии с краев эрозионного кратера материала анода.

Ключевые слова: электроискровая обработка, оловянная бронза, фазовый состав, морфология поверхности.

DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-77-84
Панькин Николай Александрович — Институт наукоемких технологий и новых материалов ФГБОУ ВО “Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева” (430005, Саранск, Большевистская ул., 68), кандидат физико-математических наук, доцент, специалист в области рентгенографических исследований материалов. E-mail: panjkinna@yandex.ru.
Величко Сергей Анатольевич — Институт механики и энергетики ФГБОУ ВО “Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева” (430005, Саранск, Большевистская ул., 68), доктор технических наук, профессор, специалист в области электроискровой обработки материалов. E-mail: velichko2005@yandex.ru.
Мишкин Владимир Петрович — Институт наукоемких технологий и новых материалов ФГБОУ ВО “Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева” (430005, Саранск, Большевистская ул., 68), ведущий инженер лаборатории электронной микроскопии и малоугловой рентгеновской дифрактометрии, специалист в области исследований материалов методом растровой электронной микроскопии. E-mail: vladimirm1978@mail.ru.
Ильин Сергей Владимирович — Институт наукоемких технологий и новых материалов ФГБОУ ВО “Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева” (430005, Саранск, Большевистская ул., 68), преподаватель, специалист в области оптических методов исследований. E-mail: is7563@yandex.ru.
Ссылка на статью:
Панькин Н.А., Величко С.А., Мишкин В.П., Ильин С.В. Фазовый состав и морфология поверхности бронзы БрО10С10 после ее электроискровой обработки анодным материалом аналогичного состава. Перспективные материалы, 2024, № 2, с. 77 – 84. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-77-84
Литература содержит 11 ссылок.

См. подробнее о статье на сайте e-library
Литература/References
к статье Панькин Н.А., Величко С.А., Мишкин В.П., Ильин С.В. Фазовый состав и морфология поверхности бронзы БрО10С10 после ее электроискровой обработки анодным материалом аналогичного состава. Перспективные материалы, 2024, № 2, с. 77 – 84. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-2-77-84
1. Величко С.А., Сенин П.В., Чумаков П.В. Повышение долговечности поршневых гидроцилиндров с применением электроискровой технологии. Саранск: Изд. Мордовского ун-та, 2016, 108 с. / Velichko S.A., Senin P.V., Chumakov P.V. Povysheniye dolgovechnosti porshnevykh gidrotsilindrov s primeneniyem elektroiskrovoy tekhnologii [Improving the durability of piston hydraulic cylinders using electric spark technology]. Saransk, Mordov. university Publ., 2016, 108 p. (In Russ.).
2. Фомин А.И., Панькин Н.А. Рентгенографическое исследование поверхности после восстановления электроконтактной приваркой ленты. Прикладная физика, 2020, № 3, c. 57 – 62. / Fomin A.I., Pankin N.A. Rentgenograficheskoye issledovaniye poverkhnosti posle vosstanovleniya elektrokontaktnoy privarkoy lenty [X-ray examination of the surface after restoration by electrocontact welding of the tape]. Prikladnaya fizika [Applied Physics], 2020, no. 3, p. 57 – 62. (In Russ.).
3. Смоланов Н.А., Панькин Н.А., Мишкин В.П. Микроструктура конденсата, полученного вблизи катода при осаждении Ti(N,C)-покрытий. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2015, № 4, с. 72 – 76. / Smolanov N.A., Pankin N.A., Mishkin V.P. Microstructure of the condensate formed in the vicinity of a cathode upon the deposition of Ti(N,C) coatings. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2015, v. 9, no. 2, pp. 383 – 387. (In Russ.).
4. Юрченко Е.В., Иванов В.И. Технологии восстановления деталей из алюминиевых сплавов методом электроискрового легирования. Труды ГОСНИТИ, 2014, т. 117, с. 251 – 255. / Yurchenko E.V., Ivanov V.I. Tekhnologii vosstanovleniya detaley iz alyuminiyevykh splavov metodom elektroiskrovogo legirovaniya [Technologies of restoration of details from aluminum alloys by method of an electrospark alloying]. Trudy GOSNITI [Proceedings of the All-Russian Scientific Research Technological Institute for Repair and Operation of Machine and Tractor Fleet], 2014, v. 117, pp. 251 – 255. (In Russ.).
5. Пячин С.А., Бурков А.А., Пугачевский М.А. Закономерности образования оксидов на поверхности металлов под воздействием электрических разрядов. Физика и химия обработки материалов, 2011, № 2, с. 51 – 59. / Pyachin S.A., Burkov A.A., Pugachevsky M.A. Zakonomernosti obrazovaniya oksidov na poverkhnosti metallov pod vozdeystviyem elektricheskikh razryadov [Patterns of the formation of oxides on the surface of metals under the influence of electrical discharges]. Fizika i khimiya obrabotki materialov [Physics and Chemistry of Materials Treatment], 2011, no. 2, pp. 51 – 59. (In Russ.).
6. Девойно О.Г. Создание упрочненного слоя на штампах сочетанием лазерной и электроискровой обработок. 50 Международный симпозиум “Актуальные проблемы прочности”, Витебск, 27 сентября – 1 октября 2010 г. Витебск: ВГТУ, 2010, ч. 2, c. 13 – 16. / Devoino O.G. Sozdaniye uprochnennogo sloya na shtampakh sochetaniyem lazernoy i elektroiskrovoy obrabotok [Creation of a hardened layer on stamps by a combination of laser and electric spark processing]. 50 Mezhdunarodnyy simpozium “Aktual’nyye problemy prochnosti” [50th International Symposium “Actual Problems of Strength”], Vitebsk, September 27 – October 1, 2010, Vitebsk, “VSTU” Publ., 2010, Part 2. pp. 13 – 16. (In Russ.).
7. Верхотуров А.Д. Физико-химические основы процесса электроискрового легирования. Владивосток: Дальнаука, 1992, 180 с. / Verkhoturov A.D. Fiziko-khimicheskiye osnovy protsessa elektroiskrovogo legirovaniya [Physical and chemical bases of the electrospark alloying process]. Vladivostok, Dalnauka Publ., 1992, 180 p. (In Russ.).
8. Лякишев Н.П., Банных О.А., Рохлин Л.Л. и др. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Т. 2. М.: Машиностроение, 1997, 1024 с. / Lyakishev N.P., Bannykh O.A., Rokhlin L.L. et al. Diagrammy sostoyaniya dvoynykh metallicheskikh sistem [State Diagrams of Double Metallic Systems]. V. 2. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1997, 1024 p. (In Russ.).
9. Ekmekci B. White layer composition, heat treatment, and crack formation in electric discharge machining process. Metallurgical and Materials Transactions B., 2009, v. 40, no. 1, pp. 70 – 81.
10. Rahal A. M., Rahhaoui B., Vacquie S. Copper vapour diffusion in a nitrogen arc chamber. J. Phys. D: Appl. Phys., 1984, v. 17, pp. 1807 – 1822.
11. Hascalık A. Caydas U. Electrical discharge machining of titanium alloy (Ti–6Al–4V). Applied Surface Science, 2007, v. 253, pp. 9007 – 9016.
Made on
Tilda