Лаборатория электромагнитных методов производства новых материалов

Основные результаты и достижения

Основные результаты и достижения лаборатории электромагнитных методов производства новых материалов за период «октябрь 2011г. - октябрь 2013г.»

 

Основной достигнутой целью проекта является состоявшееся создание подразделения университета, являющегося одновременно исследовательской лабораторией и научно-образовательным центром в области электромагнитных методов консолидации новых материалов, включая конструкционные и функциональные нано-структуры.

Объектом исследования являются передовые технологии спарк-плазменного спекания, микроволнового спекания, высоковольтного импульсного компактирования и магнитно-импульсной консолидации порошков. Наличие лаборатории позволяет НИЯУ МИФИ активно участвовать в проектах, связанных с созданием новых материалов (таких как совместный российско-украинский научный проект «Разработка методов обработки и консолидации композитов на основе карбидов и боридов железа и титана высококонцентрированными потоками энергии» (грант Российского Фонда Фундаментальных Исследований и Национальной академией наук Украины 2012 – 2013гг.), формируемая Госкорпорацией «Росатом» «Программа инновационно-ориентированных совместных исследований с профильными университетами», совместная программа НИЯУ МИФИ и Массачусетского технологического института по созданию объединенного со Сколковским институтом науки и технологии (Сколтех) Центра науки, инноваций и образования (ЦНИО) и др.) с последующей передачей разработок в промышленность, а также дает уникальную возможность развития новых образовательных программ с целью воспитания новых научных кадров, способных к выполнению работ по разработке передовых материалов на мировом уровне.

Степень выполнения поставленных задач: полученные на данный момент наиболее важные результаты, а также примеры их внедрения или использования

Создана материально-техническая база лаборатории с помещениями общей площадью 200 кв.м. Полное запланированное оснащение лаборатории включает:

  • Технологическое оборудование: установка Spark Plasma Sintering System модель Labox-625 и уникальная система спарк-плазменного спекания с гибридным нагревом Labox-125VHD (Sinter Land, Япония); установка высоковольтной консолидации порошковых материалов «Импульс БМ» (НПП «Поток», Ростов, Россия); установка магнитоимпульсного прессования порошков «Импульс 8-1» (НПП «Поток», Ростов, Россия); высокотемпературные вакуумные трубчатые и муффельные печи (MTI, США); уникальная система горячего прессования с дополнительным источником постоянного тока (Oxy-Gon, США); высокотемпературная вакуумная микроволновая печь Hamilab V6 (Synotherm, США); изостатический пресс (AIP, США); одноосные пресса (Carver, США); шаровые мельницы, автоматические микшеры и сушильные шкафы (MTI, США), устройство плазменного напыления покрытий (Denton, США).
  • Вспомогательное оборудование: формовочный пресс и перчаточный бокс (MTI, США), шлифовально-полировальные машины (MTI, США и Presi, Франция), отрезные станки (MTI, США и Presi, Франция), лабораторный вибрационный рассеиватель (Fritsch, Германия) и УЗ-диспергатор (Qsonica, США).
  • Оборудование для исследования состояния материалов: дилатометр (Netzsch, Германия), металлографический оптический микроскоп (MTI, США), цифровые весы (OHAUS, США), автоматический гелиевый пикнометр (Micromeritics Instrument, США), универсальная испытательная машина (Galdabini, Италия), микротвердомер (Future-Tech, Италия), лазерный анализатор размеров частиц (Fritsch, Германия), термоанализатор (TA Instruments, США).

 

Коллектив лаборатории добился существенных успехов в ряде научных направлений. Ряд результатов проведенных теоретических и экспериментальных работ уже использованы при создании новых способов консолидации порошковых материалов с применением электромагнитных полей.

Наиболее важные фундаментальные теоретические результаты включают:

  • разработана первая в мире методика прямого мульти-масштабного моделирования процессов спекания;
  • разработан принципиально новый экспериментальный подход мультистадийной дилатометрии под нагрузкой, который может быть эффективно использован для выяснения основного механизма спарк-плазменного спекания;
  • разработаны не имеющие предыдущих аналогов идеи межчастичного теплового баланса в процессах спарк-плазменного спекания и высоковольтного компактирования;
  • предложены новые оригинальные идеи влияния геометрии межчастичных контактов на эффективность спарк-плазменного спекания;
  • впервые разработаны полно-связанные конечно-элементные модели процесса горячего прессования, активированного Джоулевым нагревом;
  • впервые в мировой практике предложены модели массопереноса при микроволновом спекании под действием пондеромоторных сил;
  • произведено оригинальное описание физики уплотнения в процессе магнитно-импульсного прессования.

Наиболее важные прикладные результаты включают:

  • Получены положительные данные предварительных экспериментов по впервые осуществленному мгновенному спарк-плазменному уплотнению порошка карбида кремния – материала с различными областями применения, включая компоненты высоко-температурных газовых турбин, дизельные системы фильтров, износостойкие инструменты для обработки материалов, оболочки твэлов, и др.
  • Проведены успешные эксперименты по консолидации с помощью спарк-плазменного спекания и высоковольтного компактирования железо-титановых композитов, порошков карбида ванадия, тантала, нитрида циркония, дисперсно-упрочненных оксидами порошков феритно-мартенситных сталей (ДУО сталей) с уникальными радиационно-защитными свойствами.
  • Сотрудники лаборатории проводят теоретический и экспериментальный анализ процессирования различных видов структурированных порошковых материалов, включая спекание слоистых керамических композитов для топливных ячеек и твердых сплавов, получаемых жидкофазным спеканием.

По результатам проведенных исследований опубликованы 63 работы, включая 43 статьи, опубликованные, принятые к опубликованию или находящиеся в процессе рецензирования в реферируемых журналах; получены два патента, два положительных решения на выдачу патентов и поданы две заявки на патенты; сделаны 82 презентации на 26 научных конференциях.

Возможность коммерциализации и внедрения в производство уже полученных результатов:

В настоящий момент коллектив лаборатории проводит научные исследования по направлению «Прорыв», дополнительно спонсируемые ОАО ВНИИНМ по двум темам по созданию с помощью электромагнитных методов консолидации новых видов реакторных сталей, а также принципиально новых видов реакторного топлива, позволяющего кардинально повысить эффективность и экологическую чистоту работы ядерных реакторов:

  • «Адапатация современных методов получения нано-структурных материалов и методик тонких структурных исследований применительно к оболочечным ферритно-мартенситным сталям» и
  • «Разработка элементов технологии, неразрушающих и дистанционных методов контроля таблеток и твэлов при рефабрикации нитридного смешанного топлива».

Квалификация сформированного научного коллектива, образовательная деятельность, степень вовлеченности молодежи и их роль в выполняемом проекте, научные достижения молодых специалистов в рамках выполнения проекта

В научных работах лаборатории до настоящего времени приняли участие 17 докторов, 24 кандидата наук, 9 аспирантов и магистрантов и 8 студентов-старшекурсников. При этом коллектив лаборатории включает более 60% сотрудников моложе 35 лет. Молодые научные сотрудники являются соавторами:

  • 41 научной статьи (аспиранты - 30 и студенты - 20 научных статей), опубликованных или принятых к публикации в реферируемых журналах;
  • 41 презентации на международных научных симпозиумах.

Проведенные лабораторией образовательные мероприятия включают:

Студенты, аспиранты и молодые научные сотрудники являются соавторами:

Сотрудничество с внешними организациями:

Сотрудники лаборатории установили научно-технические связи с российскими и международными организациями:

Институтом металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской Академии Наук, г. Москва, Россия; Всероссийским научно-исследовательским институтом неорганических материалов имени академика А.А.Бочвара, г. Москва, Россия; Институтом Проблем Материаловедения им. И.М. Францевича Национальной академии наук Украины; Институтом Импульсных Процессов и Технологий Национальной академии наук Украины; Институтом Порошковой Металлургии Национальной академии наук Беларуси; Федеральным государственным унитарным предприятием «Научно-производственное предприятие «Исток», г. Фрязино; компанией «Diflex», г. Нижний Новгород, Россия; Институтом электрофизики Уральского Отделения Российской Академии наук, г. Екатеринбург, Россия; Донским Государственным Техническим Университетом, г. Ростов-на-Дону, Россия; Национальным Исследовательским Томским Политехническим Университетом, г. Томск, Россия; Национальным исследовательским университетом ННГУ им. Н.И. Лобачевского, г. Нижний Новгород, Россия; Институтом прикладной физики Российской Академии наук, г. Нижний Новгород, Россия; Государственным калифорнийским университетом, г. Сан-Диего, США; Датским техническим университетом, г. Роскилль, Дания; Королевским технологическим институтом, г. Стокгольм, Швеция; Университетом Лейчестера, г. Лейчестер, Англия; корпорацией "Синтерлэнд", г. Нагаока, Япония и другими организациями.

Лабораторию посетили 28 гостевых ученых из России, Украины и Белоруссии, США, Японии и Венэсуэллы. Все гостевые ученые выступили с лекциями.

 

Выполняемые исследования

Потенциал традиционных термо-механических методов процессирования материалов существенно ограничен вследствие сложности регулирования состоянием материала в процессе обработки. Прецизионное управление состоянием материалов в процессе синтеза и консолидации порошков, например нано-материалов, может быть осуществлено с помощью применения импульсных электромагнитных полей, включая наиболее современные импульсные методы, к числу которых относят:

Спарк-плазменное спекание:
Спарк-плазменное спекание (СПС) привлекает особое внимание материаловедов в связи с уникальными возможностями обработки трудно деформируемых материалов, которые, как правило, требуют длительной консолидации при значительно более высоких температурах в условиях обычного прессования или спекания порошков. СПС состоит в основном из совместного применения быстрых скоростей нагрева, высоких осевых давлений и электромагнитных полей. Электрический ток, проходящий через порошковый образец или, в случае непроводящих образцов, через проводящие матрицу и пуансоны, генерирует джоулево тепло, которое обеспечивает условия горячего уплотнения; электрический ток в значительной степени ускоряет консолидацию и улучшает конечную структуру зерен. Данная технология существенно сокращает время обработки и повышает качество конечных изделий. В частности, она несет в себе потенциал сохранения нано- и субмикронных структур в нано-порошковых материалах после их высокотемпературной консолидации.

 

Микроволновое спекание:
Микроволновое (Сверхвысокочастотное – СВЧ) спекание рассматривается в последнее время как технология, имеющая потенциал для достижения целей «лучше, быстрее, дешевле и экологичнее» . Микроволновая система обычно состоит из генератора, производящего микроволны, волновода для их транспортировки, и полости (камеры), в которой микроволновое поле манипулируется для конкретных целей системой управления, включающей настройку мощности и мониторинг температуры. СВЧ-поле позволяет нагревать малые и большие объемы быстро, равномерно и эффективно. Это важно в случае кристаллических материалов, где нежелательный рост зерна можно предотвратить с помощью быстрого нагрева и коротких периодов спекания. При наличии всех этих возможностей у микроволнового спекания есть потенциал значительного улучшения механических свойств и эффективности работы производимых материалов при низком потреблении энергии и стоимости процесса.

 

Высоковольтное импульсное компактирование:
Этот метод заключается в совместном воздействии на порошковый материал кратковременным (10-3 – 10-5 сек) мощным электрическим разрядом и механическим давлением. Материал под действием мощного импульса тока может разогреваться до очень высоких температур вплоть до плазменного состояния. При этом механическое давление формирует требуемую плотность получаемых изделий. Достоинствами данной энерго- и ресурсосберегающей технологии являются: экологическая чистота; высокая экономичность (энергозатраты при её использовании в 10 раз ниже, чем в традиционных технологиях), сохранения исходной (нано- либо аморфной) структуры в консолидированном материале, возможность проведения процесса без создания вакуума или инертной атмосферы, локальность воздействия на выбранном участке изделия, высокая коррозионная стойкость и прочность получаемых материалов и изделий. Технология высоковольтного импульсного компактирования продемонстрирована в видео-клипе, созданном студентами лаборатории.

 

Магнитно-импульсная консолидация порошков:
Технология магнитно-импульсного прессования демонстрирует более перспективные результаты по сравнению с другими методами консолидации в уплотнении нанопорошков и длинномерных изделий. Для пластичных материалов магнитно-импульсное прессование позволяет получить почти полностью плотные компакты без дополнительного спекания. Порошки из непластичных материалов  могут быть уплотнены с помощью магнитно-импульсного прессования до плотностей более 0,8 от теоретической плотности, при этом полном уплотнение может быть достигнуто путем последующего спекания. Из-за деформированного состояния материала и высокой концентрации дефектов в частицах, требуемые температуры спекания уменьшаются таким образом, что наноструктура материала может быть сохранена в спеченном состоянии. Длительность импульса в магнитно-импульсном прессовании обычно колеблется от десятков до сотен мкс.

Недавние публикации по результатам исследований

This paper presents a numerical approach for modeling gravity-induced grain settling and shape...

Исследованы структура и свойства образцов сплава Zr-1% Nb, полученных методом высоковольтной...

Исследуется микронеоднородность распределения температуры и ее влияние на реологическое...

A new multi-scale numerical approach for the modeling of sintering of macroscopically...

The evolution of pore structure during microwave sintering of ceramics is investigated based on...

The effects of electrical current and mechanical pressure on the densification of spherical...

Лаборатория работает при поддержке:

2012 © Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
115409, г. Москва, Каширское ш., 31