Новые подходы к синтезу тугоплавких нанокристаллических карбидов и оксидов и получению ультравысокотемпературных керамических материалов на основе диборида гафния

  • автор:
  • специальность ВАК РФ: 02.00.01
  • научная степень: Докторская
  • год, место защиты: 2016, Москва
  • количество страниц: 550 с. : ил.
  • автореферат: нет
  • стоимость: 240,00 руб.
  • нашли дешевле: сделаем скидку
  • формат: PDF + TXT (текстовый слой)
pdftxt

действует скидка от количества
2 диссертации по 223 руб.
3, 4 диссертации по 216 руб.
5, 6 диссертаций по 204 руб.
7 и более диссертаций по 192 руб.
Титульный лист Новые подходы к синтезу тугоплавких нанокристаллических карбидов и оксидов и получению ультравысокотемпературных керамических материалов на основе диборида гафния
Оглавление Новые подходы к синтезу тугоплавких нанокристаллических карбидов и оксидов и получению ультравысокотемпературных керамических материалов на основе диборида гафния
Содержание Новые подходы к синтезу тугоплавких нанокристаллических карбидов и оксидов и получению ультравысокотемпературных керамических материалов на основе диборида гафния
Вы всегда можете написать нам и мы предоставим оригиналы страниц диссертации для ознакомления
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. В настоящее время развитие авиакосмической отрасли и техники специального назначения выявило чрезвычайно острую проблему отсутствия материалов, работоспособных при аэродинамическом нагреве высокоскоростными потоками воздуха до температур, превышающих 20002500оС. Это связано с необходимостью повышения скорости, маневренности, подъемной силы и снижения аэродинамического сопротивления перспективных летательных аппаратов, которые должны иметь радиус кривизны кромок крыльев и острых носовых частей не единицы и десятки сантиметров, как это характерно для действующих на сегодняшний день изделий, а десятые доли миллиметров, что вызывает нагрев деталей вблизи точек или линий полного торможения потока до температур 20002700С. При этом традиционные высокотемпературные материалы на основе Cf/C-, Cf/SiC- и Cf/C–SiC-композитов не выдерживают столь жесткого воздействия.
Известно, что основными компонентами ультравысокотемпературных керамических материалов (UHTС – ultra-high-temperature ceramic) для применения при высокоскоростном аэродинамическом нагреве в деталях с острыми кромками являются бориды металлов, прежде всего, дибориды циркония и гафния, которые помимо своих высоких температур плавления (30003250С) и достаточно хороших для керамических материалов механических свойств обладают повышенной теплопроводностью при температурах до 20003000С, что позволяет отводить тепло от перегретых кромок. Основным недостатком таких материалов является низкая окислительная стабильность в кислородсодержащих средах, что в мировом научно-техническом сообществе нивелируется за счет введения в состав материалов компонентов, образующих при окислении с оксидом бора вязкие стекла, которые препятствуют диффузии кислорода в более глубокие слои материала. Прежде всего, это – карбид кремния, то есть состав материалов указанного выше назначения представляет собой преимущественно композиты ZrB2/SiC и HfB2/SiC.
Для улучшения свойств этих материалов (увеличения окислительной стабильности и трещиностойкости, оптимизации механических характеристик, предотвращения отслоения окисленной части материала под воздействием потока диссоциированного воздуха) предлагается введение в их состав других компонентов: ультратугоплавких карбидов TiC, ZrC, HfC, TaC, ZrC–TaC, HfC–TaC и тугоплавких оксидов, прежде всего, на основе оксидов циркония, гафния и РЗЭ.
Необходимо отметить, что ряд вышеназванных соединений или не производится на территории Российской Федерации, или существует производство крупнодисперсных порошков, поэтому создание научных основ технологии тугоплавких оксидов и карбидов как компонентов высоко- и ультравысокотемпературных материалов и покрытий имеет и аспект импортозамещения.
Отдельной задачей является получение указанных компонентов, в первую очередь, карбида кремния, в высокодисперсном, нанокристаллическом состоянии, что позволит как сделать более энергоэффективными существующие технологии получения материалов за счет снижения температуры и времени спекания керамики, улучшить свойства получаемых материалов, так и создать принципиально новые технологии, например, в результате модифицирования порового пространства уже изготовленных материалов путем шликерного заполнения нанопорошками или in situ создания тугоплавких модифицирующих матриц с применением золь-гель техники.
Таким образом, задача разработки новых методов создания ультравысоко-температурных материалов на основе диборидов гафния или циркония, модифицированных карбидом кремния, с улучшенными характеристиками, новых подходов, позволяющих снизить температуры их изготовления с обычно применяющихся 20002200С до 17001900С, а также разработки методов синтеза высокодисперсных тугоплавких карбидов и оксидов металлов, перспективных для усовершенствования свойств материалов состава HfB2/SiC (включая окислительную стойкость под воздействием высокоскоростного потока диссоциированного воздуха) путем высокотехнологичного введения в их состав данных модифицирующих компонентов, является чрезвычайно актуальной.
Целью данной работы являлась разработка научных основ синтеза высокодисперсных тугоплавких карбидов и оксидов металлов как компонентов перспективных ультравысокотемпературных материалов на основе диборидов гафния и циркония, модифицированных карбидом кремния, апробация новых подходов к созданию материалов данного типа, изучение поведения полученных ультравысоко-температурных керамических материалов в том числе и под воздействием высоко-энтальпийных потоков воздуха.
Учитывая комплексный характер работы, сочетающей необходимость осуществления неорганического синтеза и задействования подходов коллоидной химии, высокотемпературного синтеза, в том числе при пониженном давлении, разработку методик изготовления ультравысокотемпературных материалов (горячее прессование, искровое плазменное спекание) и их испытания в условиях, моделирующих аэродинамический нагрев высокоэнтальпийными потоками воздуха, для решения основной фундаментальной проблемы, над которой в настоящее время работают коллективы практически из всех регионов мира, необходимо выделить ряд конкретных объемных, взаимосвязанных и трудозатратных задач:
1) Изготовление на основе коммерчески доступных порошков методом искрового плазменного спекания модельных ультравысокотемпературных керамических материалов состава HfB2/SiC, содержащих от 10 до 45 об. % карбида кремния, обладающих достаточно высокой пористостью (до 40 %). Изучение их поведения под воздействием потока диссоциированного воздуха при температурах поверхности до 2700оС с использованием индукционного плазмотрона. Выявление особенностей процесса их окисления для целенаправленного поиска путей улучшения характеристик.
2) Развитие методов синтеза нанокристаллического карбида кремния как необходимого компонента ультравысокотемпературных керамических композиционных материалов, прежде всего, с применением золь-гель технологией.
3) Разработка методов синтеза сверхтугоплавких нанокристаллических индивидуальных (TiC, ZrC, HfC и TaC) и сложных карбидов (Ta4ZrC5 и Ta4HfC5) при относительно низких температурах (≤1500оС) как перспективных компонентов ультравысокотемпературных материалов.
4) Развитие методов синтеза высокодисперсных оксидов металлов, введение которых в состав ультравысокотемпературных материалов может значительно модифицировать образующийся под воздействием высокоэнтальпийных потоков воздуха защитный стекловидный слой и снизить скорость окисления объемной части материала, а также способствовать стабилизации в тетрагональной модификации образующегося диоксида гафния или циркония, предотвращая разрушение окисленной области и существенное изменение геометрии детали.
5) Разработка методов изготовления ультравысокотемпературных керамических материалов состава HfB2/SiC с нанокристаллической фазой карбида кремния, позволяющих снизить температуру получения изделий до 17001900С, но обеспечивающих достижение плотности до 9095% от теоретической, в результате in situ карботермического синтеза SiC непосредственно в ходе горячего прессования или искрового плазменного спекания системы HfB2/(SiO2–C). При этом высокодисперсный химически активный состав SiO2–C наносится на микродисперсный порошок HfB2 путем гидролиза тетраэтоксисилана в присутствии полимерного источника углерода с применением золь-гель метода, обеспечивающего максимальную равномерность распределения кремний- и углеродсодержащих компонентов и наибольшую однородность получаемых материалов.
Научная новизна работы состоит в:
1) Создании новых энергоэффективных способов изготовления ультравысокотемпературных керамических композиционных материалов состава HfB2/SiC, объединяющих стадии карботермического синтеза нанокристаллического карбида кремния и горячего прессования керамики, что в контексте формирования композитов с равномерным распределением компонентов позволяет избежать дополнительных стадий получения высокодисперсного порошка SiС, смешения и совместного помола порошков HfB2 и SiC; определении зависимости структуры и термического поведения в токе воздуха при нагреве до 1400оС от пористости и содержания карбида кремния (1065 об. %).
2) Выявлении особенностей поведения модельных материалов HfB2/SiC (1045 об. %) с пористостью 2039 % при длительном (4042 мин) высокоэнтальпийном воздействии потока воздуха, в том числе при температуре поверхности 25002700оС.
3) Получении новых данных о влиянии пористости и соотношения HfB2:SiC (содержание SiC от 10 до 65 об. %) на структуру и термическое поведение при нагреве до 1400оС в токе воздуха керамических композиционных материалов HfB2/SiC, изготовленных с применением золь-гель метода и горячего прессования композиционных порошков HfB2/(SiO2–C).
4) Разработке новых подходов к синтезу нанокристаллических карбидов (SiC, TiC, ZrC, HfC, TaC, Ta4ZrC5 и Ta4HfC5) при относительно низких температурах (≤1500оС) через золь-гель стадию получения высокодисперсных и химически активных стартовых составов MOx-C, где M – Si, Ti, Zr, Hf, Ta.
5) Разработке метода получения окислительно стойкого композиционного порошка HfB2/SiC, где карбид кремния является нанокристаллическим и наносится на поверхность микродисперсного порошка HfB2 с применением золь-гель метода.
6) Разработке новых методик синтеза высокодисперсных тугоплавких оксидов металлов – иттрий-алюминиевого граната (Y3Al5O12), стабилизированного диоксида циркония (8 мол. % Y2O3 – 92 мол. % ZrO2), оксида циркония-гафния-иттрия (15 мол. % Y2O3 – 60 мол. % ZrO2 – 25 мол. % HfO2), соединений со структурой пирохлора (Nd2Hf2O7 и Gd2Hf2O7); определении для трех последних составов особенностей парообразования при температурах выше 2000оС.
7) Разработке методов получения тонких наноструктурированных пленок состава Y3Al5O12, 8 мол. % Y2O3 – 92 мол. % ZrO2 и 15 мол. % Y2O3 – 60 мол. % ZrO2 – 25 мол. % HfO2, перспективных для модифицирования порошков карбидов и боридов металлов, и для создания тугоплавких оксидных матриц высокотемпературных композиционных материалов заданного состава.
8) Создании нового метода получения пористой SiC-керамики, включающего карботермический синтез непосредственно в ходе изготовления материала при искровом плазменном спекании или горячем прессовании высокодисперсного химически активного состава SiO2–C, полученного золь-гель методом.
9) Разработке нового метода изготовления пористой карбидокремниевой керамики с применением полимерной технологии на основе природного сырья – диатомитового порошка, позволяющего получать изделия сложной формы и варьировать значение пористости.
Вы всегда можете написать нам и мы предоставим оригиналы страниц диссертации для ознакомления

Рекомендуемые диссертации данного раздела