| Название: | Исследование возможности создания нового легкого и прочного конструкционного материала на основе композита алюминий-углеродные нановолокна |
| Грантодатель: | РФФИ |
| Область знаний: | 02 |
| Научная дисциплина: | 02-205, 02-209 Металлы. Сплавы. Неупорядоченные структуры |
| Ключевые слова: | композиционные материалы, металлы, полимеры, нанотрубки, нановолокно, наноалмазы, фуллерены |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Возняковский,АА |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 16-32-80092 |
| Финансирование 2016 г.: | 800000 |
| Исполнители: |
Кольцова,ТС: None
Лычева,КА: None
Татарников,НИ: лаб. физики кластерных структур (Дидейкина,АТ)
|
Формулировка оригинальной, нестандартной идеи, которая может быть впоследствии реализована на практике
Известно, что основной проблемной создания композиционных материалов с использованием наноразмерных частиц, в частности углеродных нанотрубок и углеродного нановолокона, является проблема их равномерного распределения в матрице композита. В частности, это относиться к композиционным материалам алюминий/углеродное нановолокно. Как правило для решения данной проблемы используют прием длительного предварительного механического смешения порошка металла с углеродными нанотрубками или углеродным нановолокном в мельнице с последующей термобарической обработкой [Esawi A. M. K. et al. Fabrication and properties of dispersed carbon nanotube–aluminum composites //Materials Science and Engineering: A. – 2009. – Т. 508. – №. 1. – С. 167-173.; Bakshi S. R., Lahiri D., Agarwal A. Carbon nanotube reinforced metal matrix composites-a review //International Materials Reviews. – 2010. – Т. 55. – №. 1. – С. 41-64.; George R. et al. Strengthening in carbon nanotube/aluminium (CNT/Al) composites //Scripta Materialia. – 2005. – Т. 53. – №. 10. – С. 1159-1163.]. Однако, такой путь приводит к неоднородности параметров по объѐму образца, ухудшению параметров композита с увеличением процента содержания нанодобавки из-за невозможности гомогенного распределения большого объема нанодобавки, а также появление загрязнений от мельницы. Как показано в работе [Демченко Е. И., Стовпченко А. П. Исследование влияния углеродных наночастиц на структуру и упрочнение алюминиевых композитов, Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2009, т. 7, №3, p. 739—747.] добавление углеродной нанодобавки напрямую в расплав также является затруднительным из-за вязкости металлической матрицы, опасностью протекания ненужных химических реакций, а также разницы плотностей между матрицей и углеродной нанодобавкой. В данном проекте для обеспечения равномерности распределения малой добавки в композите, а именно углеродных нановолокон предлагается революционный способ добавки нановолокон – путем роста волокна непосредственно на частицах металла – основной составляющей композита. Это происходит путем предварительной прививки нановолокон на частицы порошка алюминия до процесса спекания композита. Эта революционная идея описана в работе авторов проекта [Rudskoy A.I., Tolochko O.V., Kol’tsova T.S., Nasibulin A.G.. Synthesis of carbon nanofibers on the surface of particles of aluminum powder. Metal Science and Heat Treatment, Vol. 55, (2014). 564-568.]. Такой способ модификации композита нановолокнами является оригинальной идеей и имеет мировой приоритет. Использование это пути позволит, с нашей точки зрения, получить сверходнородное распределение волокон по объѐму и, тем самым, позволит улучшить характеристики однородности получаемого композита и главное дает возможность управлять параметрами композита до его получения в процессе спекания. Задача является новой и носит фундаментальный характер в силу того, что в процессе работы надо решить задачу управляемого роста нановолокон на частицах металла – композита. В случае решения получение композитов с заданными свойствами будет легко реализовываться в процессе роста волокон на частицах металла и последующего изготовления композитов известными способами, в частности спеканием или горячим прессованием.
Методы и подходы для проверки предлагаемой идеи
Для достижения поставленной цели будет использоваться прием синтеза углеродных нановолокон непосредственно на поверхности частиц металла, предварительно модифицированных никелевым катализатором. Эта новая идея предложена авторами проекта и первые результаты описаны в работе [Rudskoy A.I., Tolochko O.V., Kol’tsova T.S., Nasibulin A.G.. Synthesis of carbon nanofibers on the surface of particles of aluminum powder. Metal Science and Heat Treatment, Vol. 55, (2014). 564-568.]. Для достижения заявляемых в проекте целей будут использованы методы роста нановолокон при различных условиях (давление газа, температура роста и др.), что позволит управлять концентрацией, размером и распределением волокон в металле-матрице композита и соответственно эксплуатационными параметрами последнего при его изготовлении компостированием или горячим прессованием. Проверка эффективности каталитической прививки нановолкон на частицы порошка алюминия будет осуществляться с помощью сканирующей электронной микроскопии. Также для контроля химического состава материала будет использоваться рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. Центр коллективного пользования ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН обладает всем необходимым высококлассным оборудованием для характеризации получаемых исходных порошков. Коллектив располагает всем необходимым оборудованием для осуществления проекта: установкой для выращивания углеродных нановолокон методом газофазного синтеза, промышленным прессом с возможностью установки давления до 5 ГПа и температуры до 1500 градусов Цельсия, универсальным твердомером, установкой измерения теплопроводности методом вспышки, сканирующим электронным микроскопом, рентгеновским фотоэлектронным спектрометром.
Ожидаемые научные результаты
В результате проведения работы будет показана возможность управляемого роста нановолокон на частицах металла, в частности алюминия для последующего получения композитов с заданными свойствами. Такая методика роста, позволяющая получать однородное распределение нанововлокон по объѐму металла имеет мировой приоритет и результаты могут быть опубликованы в высокорейтинговых научных журналах. При последующем изготовлении композиционного материала состава алюминий/углеродные нановолокна (УНВ), вследствие использования приема предварительной прививки нановолокна на частицы металла, можно ожидать равномерного распределения углеродных нановолокон по объему материала. Несомненно, введение УНВ в матрицу алюминия окажет влияние на теплофизические (теплопроводность, теплоемкость) параметры композита и прочностные характеристики полученных композитов. Исследование теплофизических и прочностных характеристик полученных композитов имеет мировой уровень в силу новизны исследуемого материала полученного вышеуказанным новым способом. Результат влияния нановолокна на прочностные и/или теплофизические параметры композита и будет предметом исследования. Такая работа будет носить фундаментальный характер, а ее результаты будут опубликованы в высокорейтинговых научных журналах.
Возможность практической реализации результатов исследования
В работе предполагается за счет управляемого роста нановолокон изменять прочностные и теплофизические свойства композитов на основе алюминия. Технология будет иметь высокую воспроизводимость результатов и может легко масштабироваться. Ясно, что подобный высокопрочный конструкционный материал, с управляемой величиной теплопроводности, получаемый простым компактированием или горячим прессованием должен найти широкое применение в качестве материала для изготовления легких и прочных корпусов различных гражданских и военных электроприборов работающих в условиях низких температур (смартфоны, рации, ГЛОНАСС/GPS-навигаторы, датчики и т.д.),. Такой метод изготовления позволит получать любые конструкционные формы (любого типоразмера) и заданные прочностные и теплофизические параметры изготовляемых корпусов для электронных и других устройств. Кроме того, компактирование или горячее прессование позволяет избежать лишнего расхода материала, по сравнению с другими методами изготовления корпусов, например, выпиливанием (фрезерованием) корпуса из цельного бруска алюминия. Также данный материал, при должном масштабировании, может использоваться в качестве конструкционного материала в судостроении и авто/авиапроме.
Использование в проекте небольших (менее 2 масс. %) объемов добавок углеродного нановолокна позволит создать материал сопоставимый по стоимости с дюралюминиевыми сплавами.
