ИРН AP08855701 «Разработка электронно-ионных, термо-механических технологий и получение новых композиционных материалов с исследованием их свойств»

Актуальность проекта: Актуальность предлагаемого проекта высокая, т.к. направлен на получении материалов с новыми, отличными от макрокристаллических, физико-химическими свойствами (на основе субмикронных и нанокристаллических порошков оксидов, металлов, полупроводников, полимерных материалов и др.). Регулирование свойств новых материалов в значительной мере зависят от методов синтеза, выбранной технологии. Основной и непростой проблемой является разработка методики получения и использования компонентов экспериментальных образцов (порошков, тонких и массивных) на основе металлов и диэлектриков, методик облучения (радиационная и термо-механическая обработка исходных компонентов и опытных образцов), установка режимов и параметров. Экспериментальные исследования физических и физико-механических свойств полученных новых композитов (на основе титана и различных добавок: ванадия, ниобия, молибдена, вольфрама в соединении с азотом) после термо-механических и радиационных воздействий. Модификация и использование наших моделей, моделирование распределений имплантированных ионов и концентрации дефектов по глубине материала для различных энергий первичных частиц. Данный проект направлен на решение проблем разработки современных технологий и получения новых радиационно-устойчивых и радиационно-чувствительных композиционных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками. В некоторых предприятиях до сих пор используется ручная выкладка деталей из композитов, а серийность выпускаемой продукции не автоматизирована. Однако жесткая конкуренция на рынке диктует необходимость в современных средствах проектирования и эффективного оборудования для работы с композитами. Достижения радиационной физики, химии и техники открывают возможность  разработки технологии получения новых композиционных материалов от молекулярного уровня до микроуровня с оптимальным соотношением параметров технологического процесса, регулирования дисперсности, структуры и дефектности веществ. Способы решения этих задач способствует улучшению качества материалов и приборов на их основе, экономии средств и времени.

  1. Целью проекта является: Разработка электронно-ионных, термо-механических технологий и получение новых композиционных материалов с использованием компонентов на основе металлов и диэлектриков (титан, цирконий, азот, смола и различные добавки, текстолиты). Изучение структуры и физико-химических свойств композитов. Установление закономерностей и описание радиационо-термо, механо- процессов, их моделирование.
  2. Ожидаемые результаты: В соответствии с целью и задачами, стратегии и планом реализации проекта, ожидаемые результаты следующие:
  3. Будет разработана методика получения и использования компонентов экспериментальных образцов (порошков, тонких и массивных) на основе металлов и диэлектриков (титан, цирконий, азот, смола и различные добавки, текстолиты), методик облучения, установка режимов и параметров.
  4. Будет осуществлена радиационная и термо-механическая обработка исходных компонентов и опытных образцов потоками высокоэнергетических электронов и ионов в заданных режимах. Проведены структурные исследования.
  5. Будут проведены экспериментальные исследования физических свойств полученных необлученных новых композитов методами электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Проведен анализ экспериментальных данных, сравнение с имеющимися экспериментальными и теоретическими данными (нашими и литературными).
  6. Будут исследованы композиты (на основе титана и различных добавок: ванадия, ниобия, молибдена, вольфрама в соединении с азотом), их физико-механические свойства после термо-механических и радиационных воздействий.
  7. Будет произведена модификация и использование наших моделей (каскадно-вероятностных), моделей Комарова-Кумахова применительно к изучению полученных материалов. Проведено моделирование распределений имплантированных ионов и концентрации дефектов по глубине материала для различных энергий первичных частиц.
  8. Проведены экспериментальные исследования по влиянию радиационного облучения на композиты (на основе титана, циркония и полиэфирных смол), полученные методом порошковой металлургии, путем прессования и радиационно-термо механических воздействий. Изучены физико-механические свойства полученных композитов.
  9. Будут проведены экспериментальные и теоретические исследования физико-механические свойства массивных образцов. Изучено влияние радиационного облучения на зависимости деформации от напряжения и дозы облучения.
  10. Будет проведено теоретическое описание влияния радиационного облучения на процесс деформации в массивных образцах. Разработана модифицированная каскадно-вероятностная модель. Проведены расчеты деформационных характеристик в зависимости от дозы облучения. Проведено сравнение с экспериментом.
  11. 9. Будет создана база данных и установление общих закономерностей по физико-техническим характеристикам указанных выше композитов после различных воздействий.
  12. Будет проведен анализ всех полученных результатов. Осуществлена корректировка технологий. Получена опытная партия новых композитных материалов. Выдана рекомендация. Осуществлено внедрение технологии и полученных результатов на предприятиях промышленности и в других организациях Казахстана.

Достигнутые результаты:

Проведены экспериментальные исследования свойств полученных необлученных композитов методами электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Проведен анализ данных, сравнение с имеющимися результатами. Микроструктурный анализ экспериментальных покрытий подтвердил формирование многослойной архитектуры с плотной структурой и зоной диффузии на границе «покрытие – подложка». Все мультислои демонстрировали когерентный рост, размер кристаллитов на покрытиях изменялся от 9,2 до 11,6 нм, а остаточные напряжения изменялись в диапазоне — (3,5 – 5,3) GPa. Результаты XPS показали, что экспериментальные мультислои состояли из связей Ti – N, Zr – N и Si – Nx, которые можно отнести к фазам TiN, ZrN и Si3N4 соответственно. Следующее соотношение ГЦК- (TiZrN||nc-TiN+α-SiNx) определило кристаллическую структуру полученных мультислоев: значения твердости и модуля упругости многослойных покрытий TiZrN/TiSiN увеличились до 38,2 ± 1,15 и 430 ± 12,9 GPa соответственно с уменьшением периода модуляции до 20,4 нм и размера кристаллита до 9,2 нм. Результаты трибологических исследований показали, что полученные покрытия демонстрируют смешение адгезионного, окислительного и абразивного износа. Самый низкий коэффициент трения 0,884 и скорость износа 3,32•10–5мм3/Nм были получены для образца с лучшими механическими характеристиками, т. Е. Наивысшими значениями H (38,2 ± 1,15 GPa.), E (430 ± 12,9 GPa.), Н/E (0,089) и H3/E2 (0,301). На повышение износостойкости нанокомпозитов TiZrN/TiSiN влияют их структурные и фазовые особенности, в частности, толщина бислоя, концентрация Siatoms, уровень кристалличности (текстуры), напряженное состояние и т. д.

Исследованы композиты (на основе титана и различных добавок: ванадия, ниобия, молибдена, вольфрама в соединении с азотом), их физико-механические свойства после термо-механических и радиационных воздействий.

В результате проведенных исследований зависимости деформации и возвратной деформации от дозы облучения получено, что деформация образца с толщиной 100 мкм больше чем у пленки толщиной 40 мкм более чем в 2 раза, что можно объяснить влиянием размеров  макромолекул полимера. Облучение электронами в диапазоне доз 0 – 10 кГр приводит к ухудшению упругости политетрафторэтилена при деформациях близких к разрушению. По этой причине возвратная деформация фторопласта для двух толщин уменьшается. Удлинение материала после облучения в независимости от толщины увеличивается более чем на 100 %. Причиной этого эффекта является раскручивание спиралевидных макромолекул из-за ослабления связей за счет дефектов.

  1. Имена и фамилии членов исследовательской группы с их идентификаторами (Scopus Author, Researcher ID, ORCID ID если имеются) и ссылками на соответствующие профили:
  2. Научный руководитель: Купчишин Анатолий Иванович – (ГНС), доктор физико-математических наук, профессор, специалист в области синтеза композитов, моделирования радиационно-физических процессов, радиационных технологий, материаловедения, исполнитель проекта (h-индекс: Scopus 7), Идентификатор ORCID автора 0000-0002-8872-3734;
  3. Лисицын Виктор Михайлович (Россия, г. Томск) – (ГНС), доктор физико-математических наук, профессор, специалист в области радиационной физики твердого тела, химии и материаловедения, (h-индекс: РИНЦ 17, Scopus), Идентификатор ORCID автора 0000-0002-2075-4796.
  4. Погребняк Александр Дмитриевич (Украина) – (ГНС), доктор физико-математических наук, профессор, специалист высокой квалификации, работающий в области радиационной физики твердого тела, химии и материаловедения, радиационных технологий, исполнитель проекта (h-индекс: РИНЦ 35, Scopus 40), Идентификатор ORCID автора 0000-0002-9218-6492;
  5. Гынгазов Сергей Анатольевич (Россия, г. Томск) – (ГНС), доктор технических наук, специалист в области радиационной физики твердого тела (исследование радиационно-термических эффектов и процессов), исполнитель проекта (h-индекс: РИНЦ 11, Scopus 11), Идентификатор ORCID автора 0000-0002-2524-9238;
  6. Кылышканов Манарбек Калымович – (ГНС), д.ф.-м.н., профессор; экспериментальные исследования структуры, исполнитель проекта (h-индекс: РИНЦ 5, Scopus 5);
  7. Абдухаирова Алчачак Тынышевна – ГНС) кандидат педагогических наук, доцент, специалист по подготовке кадров в области радиационной физики, исполнитель проекта (h-индекс: Scopus 2);
  8. Таипова Бувхан Гожахметовна – (НС), специалист в области радиационной физики твердого тела, исполнитель проекта (h-индекс: Scopus 3), Идентификатор ORCID автора 0000-0003-1563-7189;
  9. Ходарина Наталья Николаевна, исполнитель проекта. Исследовательская деятельность: радиационные технологии, материаловедения, исполнитель проекта (h-индекс: Scopus 2);
  10. Ниязов Марат Нурпулатович – НС, экспериментальные работы, исполнитель проекта (h-индекс: Scopus 2);
  11. Утепова Дания Сабырбековна – НС; создание базы данных, исполнитель проекта.
  12. Сущих Анастасия Михайловна – МНС; маркетинг, исполнитель проекта
  13. Баймбетова Гульзада Айтжановна – НС; создание базы данных, исполнитель проекта.
  14. Тронин Борис Алексеевич – НС; радиационно-термических и химических процессов, ускорителей  и технологий, исполнитель проекта.
  15. Список публикаций (со ссылками на них) и патентов:

сведения об основных публикациях научного руководителя проекта, касающихся темы проекта:

За 5 лет опубликовано более 40 статей (Scopus).

1 Kupchishin A.I., Voronova N.A., Shmygaleva T.A. and Kupchishin A.A. Computer simulation of vacancy clusters distribution by depth in molybdenum irradiated by alpha particles// Key Engineering Materials. – 2018. – pp. 3 – 7. (SJR 0,18; Q3).

2 Kupchishin A.I., Niyazov M.N., Gyngazov S.A., Voronova N.A., Kupchishin A.A. Study of the influence of uniaxial strain and electron irradiation on the deformation of polytetrafluoroethylene film// Key Engineering Materials. – 2018. – pp. 58 – 63. (SJR 0,18; Q3)

3 Pogrebnyak A.D., Ivashchenko V.I., Erdybaeva N.K., Kupchishin A.I., Lisovenko M.A. Microstructure and Mechanical Properties of Multilayer a-AlN/a-BCN coating as Functions of the Current Density during Sputtering of a B4C Target// Physics of the Solid State. – 2018. – Vol. 60, No. 10. – pp. 2030 – 2133. (SJR 0,36; Q3).

4 Pogrebnjak A.D., Beresnev V.M., Bondar O.V., Kravchenko Ya. O., Zhollybekov B., Kupchishin A.I. Specific Features of the Microstructure and Properties of Multielement Nitride Coatings Based on TiZrNbAlYCr// Technical Physics Letters. – 2018. – Vol. 44, No. 2. – pp. 98 – 101. (SJR 0,4; Q2).

5 ShmygalevaТ.А., Kupchishin A.I., Kupchishin A.A., Shafii С.А. Computer simulation of the energy spectra of PKA in materials irradiated by protons in the framework of the CP method// IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Р. 1 – 6. (SJR 0,24).

6 Pogrebnjak A.D., Kravchenko Ya. O., Bondar O.V., Zhollybekov B., Kupchishin A.I. Structural Features and Tribological Properties of Multilayer Coatings Based on Refractory Metals. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. – 2018. – Vol. 54. No. 2. – pp. 240 – 258. (SJR 0,25; Q3).

7 Kupchishin A.I, Kupchishin A.А. Dynamic model of the threshold displacement energ// IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 012014. – 2017. – Vol. 168. – Р. 1 – 4. (SJR 0,24).

8 Solodukha V.A., Pilipenko V.A., Gorushko V.N., Kupchishin A.N., Komarov F.F. Milchanin O.V. Formation of platinum silicide during rapid thermal processing of the platinum – silicon system: microstructure and electro physical characteristics// High Temperature Material Processes. – 2019. – pp. 255 – 273. (SJR 0,14; Q3).

9 Kupchishin A.I. On positrons irradiation in the defects of vacancy type//IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 012094. – 2017. – Vol. 168. – Р. 1 – 4. (SJR 0,24).

основные публикации исследовательской группы, касающиеся темы проекта (до десяти), патенты, авторские свидетельства и другие охранные документы:

1 Lisitsyn V.M., Lisitsyna L, Polisadova E. Complex defects in crystal scintillation materials and phosphors. // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 168 (2017) 012086   – 2017 – Р. 1 – 6. (SJR 0,2).

2 Kupchishin A.I., Taipova B.G., Lisitsyn V.M., Niyazov M.N. Study of the influence of the electron irradiation dose on the deformation of mylar films, taking into account the processes of destruction and crosslinking// IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – P. 1 – 5. (SJR 0,2).

3 Kupchishin A.I., Taipova B.G., Kupchishin A.A., Kozhamkulov B.A. Study on the physical and mechanical properties of composites based on polyimide and polycarbonate// Meсhaniсs of composite  materials. – 2015. – Vol. 51, №1. – pp. 115 – 118. (SJR 0,27).

4 Zhurerova L.G., Rakhadilov B.K., Popova N.A., Kylyshkanov M.K., Buranich V.V. , Pogrebnjak A.D. Effect of the PEN/C surface layer modification on the microstructure, mechanical and tribological properties of the 30CrMnSiA mild-carbon steel// Mater Res Technol. – 2019. – pp.1 – 10. (SJR 1,027).

5 Rakhadilov B.К., Kylyshkanov М., Zhaparova M.S. Evolution of the structure and properties of pure aluminum under severe plastic deformation// IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 012084. – 2018. – Vol. 447(1). – pp.1 – 5. (SJR 0,24).

6 Kupchishin A.I., Taipova B.G., Voronova N.A., Abdukhairova A.T. The effect of electron irradiation on the properties of polyimide films of various grades// IOP Conf. Series: Journal of Physics. – 2018. – Vol. 1115. – Р. 1 – 5. (SJR 0,24).

7 Voronova N.A., Kupchishin A.I., Niyazov M.N., Lisitsyn V.M., Tlebaev K.B., Gerasimenko N. N. Deformation of polytetrafluorethylene at various static strain and electron irradiation// Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2020. – Vol. 465. – Р. 59 – 61. (SJR 0,52).

8 Kupchishin A.I., Taipova B.G., Voronova N.A., Abdukhairova A.T. The effect of electron irradiation on the properties of polyimide films of various grades// IOP Conf. Series: Journal of Physics. – 2018. – Vol. 1115. – Р. 1 – 5. (SJR 0,24).

9 Kupchishin A.I., Niyazov M.N., Lisitsyn V.M., Taipova B.G., Voronova N.A., Abdukhairova A.T. Effect of anomalous broadening in uniaxial stretching of thin polyethylene films// IOP Conf. Series: Journal of Physics. – 2018. – Vol. 1115. – Р. 1 – 5. (SJR 0,24).

10 Kupchishin A.I., Niyazov M.N., Taipova B.G. Studying the Effect of Temperature, Static Load and Nanodimensional Defects on the Mechanical Properties of Polyethylene Film at Uniaxial Extension. //Materials Science Forum – 2020. – Vol. 992, – pp. 325 – 330.

11 Smyrnova K.V., Pogrebnjak A.D.,  Beresnev V.M., Litovchenko S.V.,  Borba-Pogrebnjak S.O.,  Manokhin A.S.,  Klimenko S.A.,  Zhollybekov B., Kupchishin A.I.,  Kravchenko Ya.O., Bondar O.V. Microstructure and  Physical-Mechanical Properties of (TiAlSiY)N Nanostructured Coatings Under Diferent Energy Conditions. Metals and Materials International. – 2018. Р. 1024 – 1035.

12 Kupchishin A.I., Taipova B.G., Gerasimenko N. N., Voronova N. A., Abdukhairova A.T. Effect of electronic irradiation on the properties of polyethyleneterephthalate films of various mark// IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2020. – P. 1 – 5.

13 Voronova N.A, Kupchishin A.I, Niyazov M.N, Taipova BG, Abdukhairova A.T. Reseach of electron irradiation effects upon plexiglas strain during bending test//IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 289 012040 – 2018 – Р. 1 – 4. (SJR 0,39).

14 Купчишин А.И., Таипова Б.Г., Тронин Б.А., Шаханов К.Ш. Полимерные изоляционные материалы и их механические свойства// Вестник НЯЦ РК. – 2019. – С. 120 – 122.

15 Купчишин А.И., Ниязов М.Н., Таипова Б.Г., Ходарина Н.Н., Шаханов К.Ш. Механические свойства текстолита и стеклотекстолита при испытании на плоский прямой изгиб//Вестник НЯЦ РК, выпуск 4(76). – Курчатов, Казахстан. – 2018. – С. 90 – 92.

  1. Информация для потенциальных пользователей: В проекте будут получены совершено новые композиционные материалы на основе металлов и диэлектриков (титан, цирконий, азот, смола и различные добавки, текстолиты), исследованы их структура и свойства с привлечением как известных (электронная микроскопия, рамановская спектроскопия), так и нетрадиционных методов (авторский КВ-метод, комплекс собственных моделей и программ). Новизна предлагаемого проекта заключается в исследовании свойств композиционных материалов при комплексном воздействии радиационной и термо-механической обработки исходных компонентов и опытных образцов потоками высокоэнергетических электронов и ионов в заданных режимах. Впервые будут получены материалы с заданными свойствами при комплексном воздействии.

Кроме этого, нами будет применяться изготовление деталей из наших композиционных материалов, включая ручные и автоматизированные методы:

— пропитка компонент матричным материалом;

— холодное прессование компонентов с последующим спеканием;

— осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим обжатием;

— совместная прокатка армирующих элементов с матрицей и др.

Планируемые виды работ обладают научными и технологическими нуждами, важностью, комплексностью и практической значимостью и применимостью. Они определяются в национальной и международной потребности и состоят в изучении и применении новых физико-химических явлений в экспериментальных образцах (тонких и массивных) на основе металлов и диэлектриков (титан, алюминий, кремний, железо, азот полиэтилентерефталат, смола, текстолит, стеклотекстолит, оргстекло) при различных интенсивностях и дозах высокоэнергетических электронов, ионов и гамма-квантов. Научная важность, значимость данного проекта состоит в том, что существенная часть работ будет выполняться с использованием нетрадиционных методов, в частности, в рамках каскадно-вероятностного метода. Новые разработки и методы позволят значительно глубже понять происходящие физические процессы в материалах и получить такие результаты, которые в рамках других методов получить практически невозможно, в особенности при изучении явлений в поле излучения. Практическая значимость проекта состоит в том, что будет решен комплекс научных, практических задач для промышленности Республики Казахстан. С использованием выполненных системных экспериментальных и теоретических исследований, а также ряда лабораторных и промышленных испытаний, планируется получить новые материалы и изучить свойства полученных материалов с целью выдачи рекомендаций для их практического использования в промышленности.

Использование полученных материалов позволит повысить экспортный потенциал, т.к. будут применяться в различных отраслях, промышленности как импортозамещающие. Предлагаемые работы обладают высоким научным уровнем и технологическими нуждами. Результаты исследований имеют социальный спрос и экономическую и индустриальную заинтересованность на предприятиях РК, включая тренды областей знания радиационной физики, химии, технологий получения новых материалов, в том числе композиционных. Полученные результаты и материалам могут оказать существенное влияние на социальный спрос, экономическую и индустриальную заинтересованность предприятий, на развитие науки и технологий в области получения новых дешевых материалов для их использования в различных областях промышленности, в частности для получения легких и прочных композиционных материалов, для защиты от электромагнитных воздействий.