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

Обзор работ по спеканию порошковых материалов путем пропускания низковольтных и высоковольтных...

Данная обзорная статья дает читателю представление об альтернативных спаркплазменному мето дах...

"In its essentials, it is simple: It’s densification by heating. The details,...

Целью исследования, описанного в статье, является анализ влияния параметров импульсного...

Лаборатория работает при поддержке:

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