Прогресивні технології спікання матеріалів у електромагнітних полях (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 9 жовтня 2019 р.)

У доповіді висвітлено основні результати наукових досліджень процесів спікання матеріалів у електромагнітному полі та розробки Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України зі створення передових ефективних методів виготовлення керамічних та металокерамічних матеріалів і виро...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2019
Автор:	Рагуля, А.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2019
Назва видання:	Вісник НАН України
Теми:	З кафедри Президії НАН України
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162565
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Прогресивні технології спікання матеріалів у електромагнітних полях (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 9 жовтня 2019 р.) / А.В. Рагуля // Вісник Національної академії наук України. — 2019. — № 12. — С. 65-70. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-162565
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1625652020-01-13T01:28:56Z Прогресивні технології спікання матеріалів у електромагнітних полях (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 9 жовтня 2019 р.) Рагуля, А.В. З кафедри Президії НАН України У доповіді висвітлено основні результати наукових досліджень процесів спікання матеріалів у електромагнітному полі та розробки Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України зі створення передових ефективних методів виготовлення керамічних та металокерамічних матеріалів і виробів складної форми, в тому числі для потреб цивільної і військової техніки. 2019 Article Прогресивні технології спікання матеріалів у електромагнітних полях (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 9 жовтня 2019 р.) / А.В. Рагуля // Вісник Національної академії наук України. — 2019. — № 12. — С. 65-70. — укр. 0372-6436 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162565 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	З кафедри Президії НАН України З кафедри Президії НАН України
spellingShingle	З кафедри Президії НАН України З кафедри Президії НАН України Рагуля, А.В. Прогресивні технології спікання матеріалів у електромагнітних полях (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 9 жовтня 2019 р.) Вісник НАН України
description	У доповіді висвітлено основні результати наукових досліджень процесів спікання матеріалів у електромагнітному полі та розробки Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України зі створення передових ефективних методів виготовлення керамічних та металокерамічних матеріалів і виробів складної форми, в тому числі для потреб цивільної і військової техніки.
format	Article
author	Рагуля, А.В.
author_facet	Рагуля, А.В.
author_sort	Рагуля, А.В.
title	Прогресивні технології спікання матеріалів у електромагнітних полях (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 9 жовтня 2019 р.)
title_short	Прогресивні технології спікання матеріалів у електромагнітних полях (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 9 жовтня 2019 р.)
title_full	Прогресивні технології спікання матеріалів у електромагнітних полях (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 9 жовтня 2019 р.)
title_fullStr	Прогресивні технології спікання матеріалів у електромагнітних полях (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 9 жовтня 2019 р.)
title_full_unstemmed	Прогресивні технології спікання матеріалів у електромагнітних полях (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 9 жовтня 2019 р.)
title_sort	прогресивні технології спікання матеріалів у електромагнітних полях (стенограма наукової доповіді на засіданні президії нан україни 9 жовтня 2019 р.)
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2019
topic_facet	З кафедри Президії НАН України
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162565
citation_txt	Прогресивні технології спікання матеріалів у електромагнітних полях (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 9 жовтня 2019 р.) / А.В. Рагуля // Вісник Національної академії наук України. — 2019. — № 12. — С. 65-70. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT ragulâav progresivnítehnologííspíkannâmateríalívuelektromagnítnihpolâhstenogramanaukovoídopovídínazasídanníprezidíínanukraíni9žovtnâ2019r
first_indexed	2025-07-14T15:04:51Z
last_indexed	2025-07-14T15:04:51Z
_version_	1837635198674534400
fulltext	ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2019, № 12 65 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИНАН УКРАЇНИ ПРОГРЕСИВНІ ТЕХНОЛОГІЇ СПІКАННЯ МАТЕРІАЛІВ У ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ПОЛЯХ Стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 9 жовтня 2019 року У доповіді висвітлено основні результати наукових досліджень процесів спікання матеріалів у електромагнітному полі та розробки Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України зі створен- ня передових ефективних методів виготовлення керамічних та метало- керамічних матеріалів і виробів складної форми, в тому числі для потреб цивільної і військової техніки. Шановні члени Президії! Шановні учасники засідання! Дивлячись на тему сьогоднішньої доповіді, дехто може здиву- ватися, чому ми заслуховуємо на засіданні Президії НАН Укра- їни таке, здавалося б, вузьке питання. Моїм завданням є показа- ти, що спікання матеріалів має широкий технологічний аспект, який забезпечує функціонування 100-мільярдного сегменту світового ринку виробів порошкової металургії і кераміки. Цього року виповнюється 70 років з того часу, як фактично розпочалася епоха технологій, основаних на спіканні матері- алів. Відправною точкою цього напряму можна вважати сим- позіум «Фізика порошкової металургії», який у серпні 1949 р. відбувся у Нью-Йорку. Слід зазначити, що у розвиток цього наукового напряму зна- чний внесок зробили українські вчені. У 1950–1980-х роках найбільш вагомі в Україні результати в галузі спікання мате- ріалів було отримано у Харківському національному універси- теті ім. В.Н. Каразіна та Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України. У цей період фундамен- тальні дослідження в галузі фізики конденсованих речовин, дифузії та масопереносу в нерівноважних дисперсних системах у Харкові проводили професор Борис Якович Пінес, академік Ілля Михайлович Ліфшиц, член-кореспондент НАН України РАГУЛЯ Андрій Володимирович — член-кореспондент НАН України, заступник директора Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України 66 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2019. (12) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Віталій Валентинович Сльозов, професор Яків Овсійович Гегузін. Ще в 1951 р. академік Іван Михайлович Фе- дорченко заклав основи спікання як техноло- гічного процесу. Його учні зробили подальші кроки в розвитку цього напряму: професор Р.О. Андрієвський експериментально визначив рушійні сили спікання; професор Олександр Іванович Райченко розробив основи спікання в електричному полі, а академік НАН України Валерій Володимирович Скороход, безумовно, зробив найбільший внесок у теоретичний опис спікання як колективного явища, створивши реологічну теорію спікання. Цю теорію сьо- годні визнано в усьому світі, а учні В.В. Ско- рохода — член-кореспондент НАН України М.Б. Штерн, професор Є.О. Олевський, доктор технічних наук А.Л. Максименко — впевнено утримують лідерство в цій галузі, активно роз- виваючи континуальну теорію спікання, а та- кож багатомасштабне моделювання спікання і як явища, і як технологічного процесу. Особливо слід підкреслити внесок академі- ків НАН України Валентина Никифоровича Єременка і Юрія Володимировича Найдича, які в 1960–1980-х роках заклали основи рідко- фазного спікання, а також величезний експери- ментальний матеріал і досвід у галузі спікання та гарячого пресування тугоплавких сполук, відображений у роботах члена-кореспондента АН УРСР Григорія Валентиновича Самсо- нова, академіка НАН України Павла Степа- новича Кислого, професора Михайла Савича Ковальченка, і закладення ними теоретичних основ цих процесів. На сучасному етапі розвитку науки про спі- кання матеріалів перед ученими постає низка проблем, що потребують вирішення. По-перше, процеси створення з порошків матеріалів, на- самперед керамічних, є дуже повільними та енерговитратними. По-друге, останнім часом з’явилися нові об'єкти — нанорозмірні порош- ки, складні за формою заготовки для спікання, композиційні гранули для 3D-технологій, а також 1D- і 2D-наноматеріали, які потребують детального вивчення. По-третє, нові сегменти ринку матеріалів, наприклад для систем кому- нікацій 5G і 6G, біомедичних засобів, приладів «зеленої» енергетики тощо, вимагають розро- блення нових методів спікання. Отже, основними завданнями на сьогодні є створення швидкісніших та енергоефективні- ших технологій отримання матеріалів; більш гнучких інструментів впливу на матеріал, його структуру і властивості порівняно з традицій- ними; досягнення кращих властивостей мате- ріалів та їх багатофункціональності, а також підготовка нових кваліфікованих кадрів, здат- них вирішувати всі зазначені вище проблеми. Стрімкий розвиток адитивних технологій 3D-друку потребує нових підходів до техно- логій спікання складних за формою виробів. Тому сьогодні на перший план виходять тех- нології спікання під впливом зовнішніх полів, або FAST-технології (field assisted sintering technology), яких є досить багато і про які я розповім далі. Цікавими є також прототипи технологій, основаних на феномені спікання за температур від кімнатних до 200°С у гідротер- мальних умовах, зокрема в електричному полі, а також технології створення матеріалів майже без спікання для систем комунікацій 6G. Такі підходи дають змогу в рази підвищити швид- кість процесу отримання матеріалів та його енергоефективність, більш гнучко впливати на властивості матеріалів. Зокрема, майже 2/3 відомих на сьогодні FAST-технологій основані на процесі іскро-плазмового спікання в режимі хімічної реакції, що дозволяє одержувати ком- позити зі специфічними властивостями. До швидкісних процесів електроспікання належать іскро-плазмове і мікрохвильове спі- кання, зокрема в режимі теплового пробою. Засновником методу електророзрядного спікання в Україні є професор Олександр Іва- нович Райченко. У своїй монографії «Основи спікання порошків пропусканням електрич- ного струму» (1987) він описав основні прин- ципи цього процесу, такі як: генерування лока- лізованої плазми розряду і її вплив на тепло- і масоперенос; суперпозиція зовнішніх полів (механічних, електромагнітних) на ущільнен- ня і фазоутворення порошкового матеріалу; дія електричного струму у приповерхневих ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2019, № 12 67 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ шарах провідників і напівпровідників (так зва- ний скін-ефект), а також діелектриків; швидке і однорідне нагрівання/охолодження зразка в цілому, що відкриває можливості для уникнен- ня великих температурних градієнтів. У 1970-х роках в Інституті проблем матеріа- лознавства ім. І.М. Францевича О.І. Райченко розробив установку «Струм», на якій на замов- лення підприємства «Арсенал» виготовлялися мідно-алмазні композити. У 2005–2015 рр. наш Інститут тісно співпрацював з японським Національним інститутом матеріалознавства, що давало нам змогу експлуатувати їхню уста- новку для електроімпульсного плазмового спі- кання, потім ми мали можливість використо- вувати установку FCT HPD-25, встановлену в Інституті кераміки і технологій спікання (Ні- меччина). Нарешті, завдяки гранту SPS G5120 (Trans- parent Ceramics) за програмою НАТО «Наука заради миру та безпеки» нам вдалося створити власну (спільну з НТУУ «КПІ імені Ігоря Сі- корського») навчально-наукову лабораторію наноматеріалів і придбати сучасне устаткуван- ня для іскро-плазмового спікання FCT HPD- 25 (виробництва Німеччини), а також 3D- принтер CJP 360 виробництва США для виго- товлення оптичних приладів складної форми. Спочатку ідея іскро-плазмового спікання була пов’язана з явищем підвищення темпе- ратури в контактній зоні між частинками. Ве- лика щільність струму в цій зоні приводить до досить суттєвого нагрівання, яке можна вико- ристовувати як для локального плавлення, так і для запуску хімічної реакції з метою створен- ня матеріалів. Особливостями процесу іскро- плазмового спікання є генерування зони плав- лення в контактах між частинками, що приско- рює тепло- і масоперенос; комбінований вплив електричного поля і тиску на усадку, фазоутво- рення, структуру порошкових систем; великі швидкості нагрівання, вищі за 100 °С/хв, тоб- то процес відбувається протягом 1–2 хв. Крім того, іскро-плазмове спікання можна здійсню- вати в режимі теплового пробою, а швидкий нагрів під тиском запобігає росту зерен. Іскро- плазмове спікання — хороший інструмент для Рис. 1. Порівняння швидкостей процесів іскро-плаз- мо вого спікання і традиційного гарячого пресування. Головні характеристики SPS-процесу: імпульсний електричний струм — >100 A/м2; напруга — 10–30 В; тиск — дo 1 ГПa; швидкість нагрівання — 2–200 °С/с; час охолодження — від 0,5 с Таблиця 1. Нанокераміки на основі тугоплавких сполук, отримані методом іскро-плазмового спікання Системи Властивості і галузі використання Si3N4–TiN–ZrN Si3N4–TiN–TiSi2 Зносостійкі матеріали (підшип- ники з функцією самозаліко- вування), сумісні з довкіллям, стабільні в агресивних рідинах MgAl2O4, ALON Прозора кераміка для обтічни- ків і матриць сцинтиляторів REO:Ме3+ Лазерна кераміка на основі рід- кісних земель YAG:RE3+ Лазерна кераміка на основі гранатів HfB2–SiC; BN/Si3N4/AlN; ZrB2–MoSi2 Високотемпературні обтічники для гіперзвукових безпілотних апаратів або радіокерованих ракет, надвисока резистентність до корозії/зносу/окиснення ZrB2–ZrC–SiC Виробництво теплостоків для електроніки MgB2 Надпровідники TiN-TiB2; TiN/ TiB2/ZrN/ ZrB2/HfN/HfB2; TiCN–ZrO2–Al2O3 Керамічний різальний інстру- мент і зносостійкі компоненти газо- і нафтоперегінної апара- тури 68 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2019. (12) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ тугоплавких матеріалів, що важко спікаються, таких як карбіди, бориди, силіциди тощо. Ці технології можна застосовувати для матеріалів з різною природою хімічного зв’язку і електро- провідності. На рис. 1 можна бачити, що процес іскро- плазмового спікання відбувається в 100 ра- зів швидше за традиційне гаряче пресування. Переваги іскро-плазмових технологій ми ви- користовували для створення нанокераміки — оксидних керамік на основі рідкісноземельних елементів із середнім розміром зерна приблиз- но 16 нм (на сьогодні це найкращий показник у світі). У табл. 1 наведено типи систем і влас- тивості матеріалів, які ми вивчаємо в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францеви- ча НАН України. Продуктивним напрямом у технологіях іск- ро-плазмового спікання є поєднання спікання з реакцією синтезу корисних фаз безпосеред- ньо в матриці, зокрема реалізація самопоши- рюваного високотемпературного синтезу туго- плавких речовин і їх спікання одразу протягом кількох секунд. Одним із перспективних науково-тех но ло- гіч них завдань є підвищення міцності карбіду бору, на основі якого виробляють бронематері- али. З огляду на наш попередній досвід з по- ліпшення властивостей керамік за допомогою створення композитів на їх основі, ми запро- понували багаторівневий дизайн композитів BaCb–(BxOy/BN) з 3D-структурованою сіткою меж, отриманих реакційним іскро-плазмовим спіканням з можливістю керування атмосфе- рою консолідації. Під час спікання відбуваєть- ся реакція між карбідом бору і атмосферним азотом, зменшується розмір кристалітів кар- біду бору і утворюється безперервна 3D-сітка з ламілярних шарів турбостратного нітриду бору, що й зумовлює поліпшення властивостей отриманого керамічного матеріалу. На рис. 2 наведено результати випробувань щодо впливу композиції керамік на основі карбіду бору на співвідношення між тріщино- стій кістю та міцністю на вигин для отриманих нами керамік порівняно з найкращими з опу- блікованих результатів інших дослідників. До- Рис. 2. Вплив композиції керамік на основі карбіду бору на співвідношення між тріщиностійкістю та ви- сокотемпературною міцністю на вигин (Т = 1600 °С) Рис. 4. Залежність розмірів зерен нанокомпозитів TiB2/TiN від швидкості нагрівання Рис. 3. Масштабування зразків з композиційних кера- мік на основі карбіду бору, отриманих методом іскро- плазмового спікання ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2019, № 12 69 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ ведено, що зміцнення B4C можна досягти змі- ною співвідношення бору до вуглецю та ство- ренням 3D-зерномежової ламілярної сітки з карбіду та нітриду бору. Істотне підвищення міцності пов’язане також із внесенням до ком- позиту домішок на основі кремнію і утворен- ням в кераміці Si-B-C(O, N) включень. До того ж, залежно від потреб і замовлень промисловців, з використанням технології ре- акційного іскро-плазмового спікання можна одержувати зразки різних розмірів (рис. 3) і навіть реалізувати високопродуктивне серійне виробництво великогабаритних видів продук- ції високої якості. Реакційне іскро-плазмове спікання нано- композитів TiB2/TiN дозволяє також розраху- вати і керувати розмірами зародків обох фаз, які залежать від масового співвідношення TiN і TiB2 та швидкості нагрівання (рис. 4), дося- гаючи при цьому розмірів зерен TiB2 до 30 нм. Отже, ми дійсно маємо справу з нанокераміками. У режимі теплового пробою, тобто за швид- кості нагрівання порядку 1680–2520 °С/хв, од- ночасно відбувається і хімічна реакція, і про- цес ущільнення матеріалу. Дослідження реак- ційного іскро-плазмового спікання багатоком- понентних керамічних матеріалів, наприклад TiN(ZrN)/TiB2(ZrB2), засвідчили можливість отримання щільної (понад 99 %) композицій- ної наноструктурної кераміки з розміром зерен окремих фаз 40–80 нм. Такі нанокомпозити мають оптимальну комбінацію твердості (24– 28 ГПа) і тріщиностійкості (8,5–10,2 МПа·м1/2). А якщо до цієї системи додати гідрид цирко- нію, зазначені показники твердості і тріщино- стійкості будуть ще вищими. Ще у 2013 р., виконуючи роботи за проек- том SeProFAST (Eurostars/BMBF), спільно з підприємством ТОВ «Віріал» ми виготовили і випробували зразки різального інструменту з отриманих нами нанокомпозитних керамік, які за твердістю майже не поступаються алма- зу і призначені для обробки нержавіючої сталі та суперсплавів. В останні два роки в рамках виконання цільо- вої науково-технічної програми НАН України «Дослідження і розробки з проблем підвищен- Рис. 5. Заготовки обтічників для подальшого спікан- ня, виготовлені за допомогою 3D-друку Таблиця 2. Властивості зразків з MgF2-кераміки Номер зразка Відносна щільність, % Прозо- рість, % Твердість HV, ГПа (50 г) 4 (67) 99,62 90 4,26±0,35 5 (74) 99,36 77 5,26±0,56 7 (84) 99,63 84 4,94±0,56 8 (86) 99,85 90 4,72±0,7 Рис. 6. Зразок ІЧ-прозорого обтічника після іскро-плазмового спікання ня обороноздатності і безпеки держави» та на замовлення Казенного підприємства спеціаль- ного приладобудування «Арсенал» ми працю- 70 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2019. (12) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ вали над вирішенням завдання з розроблення технології виробництва прозорих керамічних обтічників для головок самонаведення керова- них ракет. Для цього ми запропонували ком- бінацію двох новітніх технологій — збирання прототипів обтічників за допомогою 3D-друку з подальшим використанням іскро-плаз мо вої технології спікання до прозорого стану. Для виготовлення обтічників спочатку потрібно було розробити відповідний прес- інструмент, який забезпечив би оптимальні параметри розподілу щільності струму та рів- номірний розподіл температури, для чого ми провели комп’ютерне моделювання методом скінченних елементів. Потім на 3D-принтері Pro Jet 360 надрукували оптимізовані конфі- гурації прототипів обтічників (рис. 5), а далі іскро-плазмовим спіканням отримали готовий виріб (рис. 6) — ІЧ-прозорий обтічник. У табл. 2 наведено характеристики, які ви- значають задані властивості отриманих зраз- ків. Досягнувши прозорості 90 %, ми виконали поставлені перед нами завдання і тепер працю- ємо над удосконаленням цієї технології. Слід зазначити, що подібна комбінація 3D- друку та іскро-плазмової технології спікання використовується в НАСА для виготовлення компонентів газотурбінних двигунів. У найближчій перспективі ми прагнемо перейти від лабораторних випробувань до дослідно-промислового виробництва, орга- нізація якого потребує інвестицій у розмірі 1,8 млн євро, з яких приблизно 1 млн євро становить вартість автоматичної лінії іскро- плазмового спікання HPD-250 виробництва Німеччини. Наш партнер КП СП «Арсенал» планує за- мовляти ІЧ-обтічники в кількості приблизно 1,5–2 тис. одиниць на рік. Проте слід зазначи- ти, що в галузі оборони і безпеки України сьо- годні є також нагальна необхідність створення радіопрозорих керамічних обтічників для гі- перзвукових безпілотних апаратів (зі швид- кістю до 20 М), а також високотемпературних обтічників для головок самонаведення. Для за- доволення цих потреб застосування комбінації технологій 3D-друку та іскро-плазмового спі- кання видається цілком реальним. Крім того, на цьому обладнанні можна виробляти і нову бронекераміку на основі карбіду бору з розмі- ром блоків до 300 мм, і різальний керамічний інструмент для металообробки. Рентабель- ність такої технологічної дільниці оцінюється у 25–30 %, а термін окупності — 3–4 роки. Завершуючи свій виступ, хочу висловити щиру вдячність за дружнє ставлення, підтрим- ку моїх ідей, а також докладання спільних зусиль для досягнення результатів моїм ко- легам з Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України докторам наук Г. Бородянській, О. Згалат-Лозинському, О. Пєтухову, дослідникам В. Колесниченку, М. Замулі, С. Іванченку, а також нашим іно- земним партнерам докторам М. Херрманну і Я. Рателю з Німеччини, Й. Саккі, О. Василькі- ву та Д. Демірському з Японії, з якими ми ра- зом опублікували понад 80 статей та патентів і розробили технології виготовлення трьох про- дуктів, які вже готові до впровадження. Дякую за увагу! За матеріалами засідання підготувала О.О. Мележик

Прогресивні технології спікання матеріалів у електромагнітних полях (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 9 жовтня 2019 р.)

Репозитарії

Схожі ресурси