Цель работы – с помощью СВС-технологии получить износостойкие изделия из композиционных материалов нового типа. С учетом имеющихся данных в научно-технической литературе выбрана система Ti–Сu–C. Экспериментальным сжиганием различных составов СВС-шихт, состоящих из титанового порошка, медного порошка и сажи, выявлены составы, способные гореть при СВС-процессе и обеспечивать получение расплава, содержащего карбид титана и, в качестве связки, куприды титана, имеющие более высокие механические свойства и меньшие температуры плавления, чем чистая медь. Получение модельных образцов изделий в виде втулок наружным диаметром 70 и 110 мм осуществляли путем сжигания СВС-шихты выбранных составов в реакторе с последующим компактированием образующегося расплава при усилии 50–60 т. После электроэрозионной обработки черновой заготовки вырезали образцы для фазового и рентгеноспектрального анализов, а также испытаний на износостойкость. При оптимальном соотношении компонентов СВС-шихт в материале модельных образцов выявлены карбид титана и связка в виде купридов титана разных составов. Путем испытания на изнашивание при скольжении по закрепленному абразиву под удельным давлением 1 МПа определено, что относительная абразивная износостойкость нового материала при твердости 50–52 HRC составляет 1,8–2,0 ед. по сравнению с закаленной инструментальной штамповой сталью Х12МФЛ. Для практической реализации технологии предложен алгоритм расчета составов СВС-шихты новой композиции, при этом его принципом является такое соотношение компонентов, при котором вводимый углерод образует с титаном карбид титана, а вводимый избыточный титан образует с медью куприды титана. Разработанный материал можно рассматривать как перспективный для использования в качестве элементов оборудования, работающих в условиях абразивного изнашивания. По данной разработке получен патент 2691656 (РФ).

Настоящая работа относится к области получения металлокерамических композиционных материалов методом СВС-компактирования. Изучено влияние механической активации (МА) металлических компонентов, содержащихся в реакционных смесях на основе системы Ti + C + Cr + Ni, при обработке размольными телами в шаровой мельнице на структуру и свойства получаемых композитов. Были использованы два способа МА металлических порошков Ti, Cr и Ni. В первом случае порошки Сr и Ni активировали размольными телами отдельно от остальных компонентов реакционных смесей, а затем смешивали с порошками титана и сажи. Показано, что предварительная МА инертных компонентов снижает температуру и скорость горения, приводя к росту среднего размера карбидных зерен. Второй способ МА заключался в совместной обработке в шаровой мельнице порошковых смесей Ti + Cr, Ti + Ni и Ti + Cr + Ni, которые затем смешивали с сажей. В этом случае обеспечивалась механическая активация частиц титана при минимальном воздействии размольных тел на порошки Сr и Ni. Это обуславливало увеличение скорости и температуры горения, уменьшение среднего размера карбидных зерен и повышение однородности структуры композитов. Предложен механизм взаимодействия реагентов (Ti + C) с участием активированных частиц Сr и Ni в зонах горения и структурообразования, согласно которому МА инертных компонентов приводит к их непосредственному участию в реакционном взаимодействии титана с углеродом, что определяет снижение скорости и температуры горения и влияет на дисперсность и однородность структуры компактных композитов. Полученные результаты были использованы для повышения однородности и измельчения структуры композита СТИМ-3Б (синтетического твердого инструментального материала марки 3Б).

Работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию механизмов горения реакционных смесей в режиме ≪химической печки≫ в трехслойном образце Ni–Al/Ti–Co/Ni–Al. Экспериментальные исследования проводили в реакторе в среде аргона при атмосферном давлении и температуре окружающей среды 298 К на прямоугольных образцах, спрессованных из порошковых смесей Ni–Al и Ti–Co в виде трехслойного пакета. Акцепторный слой (Ti–Co) находился в середине образца, а донорный (Ni–Al) – снаружи. В эксперименте варьировали толщину акцепторного слоя от 4,3 до 13 мм, а толщина донорного слоя (4,7 мм) оставалась постоянной. Установлено, что с увеличением толщины акцепторного слоя скорость распространения фронта волны горения и температура инициирования реакции снижаются, а максимальная температура во фронте остается постоянной, равной температуре плавления конечного продукта. Время прогрева акцепторного слоя до начала реагирования возрастает. При толщине акцепторного слоя меньше толщины донорного реагирование акцепторной смеси осуществляется в режиме теплового взрыва. Максимальная температура в этом случае выше температуры плавления конечного продукта. С увеличением толщины акцепторного слоя происходит смена режимов синтеза внутреннего слоя: стационарный – пульсирующий – срыв горения. Построена математическая модель высокотемпературного синтеза трехслойного образца в размерных переменных с учетом теплообмена с окружающей средой. В результате экспериментальных исследований и численных расчетов установлена критическая толщина внутреннего слоя 15 мм, при которой горение внутреннего слоя становится невозможным при фиксированных размерах донорных слоев. Критические условия распространения волны горения по акцепторному слою слабо зависят от источника внешнего нагрева. Экспериментальная методика и математическая модель горения слоевой системы могут быть применены для оценки критических условий синтеза металлокомпозитов во фронтальном режиме горения.

Представлены результаты экспериментального исследования возможности получения одностадийным методом электротеплового взрыва (ЭТВ) под давлением ультратугоплавких керамик, представляющих собой твердые растворы карбидов HfC и ZrC. На основе термодинамических данных рассчитаны адиабатическая температура горения и  фазовый состав равновесного конечного продукта. Показано, что при содержании в конечном продукте менее 20 мас.%  ZrC адиабатическая температура горения достигает 3800–3900 К, а продукт горения содержит карбиды гафния и циркония. Изучено влияние режимов механического активирования в планетарной центробежной мельнице АГО-2 реакционной смеси, содержащей порошки Hf, Zr и C, на ее характеристики, формирование фазового состава и микроструктуру  твердых растворов карбидов. Установлено, что при высокоэнергетическом смешивании в гексане происходит разрушение кристаллической структуры частиц Hf и Zr и образование аморфных композитных частиц. Синтезированные образцы  ультратугоплавкой керамики изучены методами рентгенофазового и микроструктурного анализов. Показано, что в ходе  экзотермического синтеза формируются однофазные твердые растворы карбидов HfC и ZrC, средний размер частиц которых составляет 0,2–1,5 мкм. Остаточная пористость полученных бинарных карбидов находится в интервале 10–12 %.  Выявлено, что, несмотря на высокую температуру нагрева образца в ходе ЭТВ под давлением, размер частиц полученных  твердых растворов значительно (на порядок) меньше размера частиц аналогичных сложных карбидов (20–50 мкм), полученных другими методами (SPS и горячим прессованием), что связано с быстротечностью экзотермического взаимодействия реагентов (10–50 мс) в ходе ЭТВ.

Тугоплавкий композиционный керамический материал в системе LaB₆–W₂B₅ с соотношением компонентов  50 : 50 об.% был получен методом реакционного горячего прессования в графитовой пресс-форме. В качестве исходной реакционной смеси был использован предварительно подвергнутый вибрационному измельчению в течение 20 ч вольфрамовыми мелющими телами гетерофазный порошок, содержащий гексаборид лантана, металлический вольфрам и аморфный бор. Средний размер частиц измельченной смеси составлял 2,9 мкм. При температуре 1800 °С с изотермической  выдержкой в течение 15 мин при давлении прессования 30 МПа в среде аргона достигнута относительная плотность 92 %.  Методами рентгеновской дифракции, сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа  исследованы структура и состав материала LaB₆–W₂B₅. Состав керамики представлен двумя фазами – кубическим гексаборидом лантана LaB₆ и гексагональным пентаборидом дивольфрама W₂B₅. Структура керамики характеризуется упорядоченным расположением пластинчатых частиц W₂B₅ в поликристаллической матрице LaB₆. В процессе реакционного  горячего прессования смеси LaB₆–W–B наблюдается преимущественный рост кристаллов W₂B₅ вдоль атомных плоскостей (101). Образующиеся при этом пластинчатые частицы W₂B₅ ориентированы в матрице LaB₆ перпендикулярно нагрузке  прессования. С использованием снимков, полученных с помощью электронной микроскопии, построена трехмерная визуализация структуры материала. Проведено измерение предела прочности образцов размерами 3×3×30 мм при трехточечном изгибе. Установлена зависимость предела прочности от направления приложенной разрушающей нагрузки.  При воздействии разрушающей нагрузки перпендикулярно поверхности пластинчатых частиц W₂B₅ предел прочности составляет 420 МПа, тогда как при нагружении вдоль плоскости частиц предел прочности возрастает до 540 МПа. Коэффициент анизотропии предела прочности составляет 0,78.

Исследованы фазовый состав, морфология и свойства покрытий на стали, полученных методом высокоскоростного селективного лазерного сплавления механокомпозитов на основе карбогидрида титана. Механокомпозиты получены измельчением порошков Ti и Ti–Cu в жидкой углеводородной среде. Синтезированные механокомпозиты и сформированные из них покрытия изучены методами рентгеновской дифракции, сканирующей электронной и оптической микроскопии. Фазовый состав механокомпозитов представлен карбогидридом титана, размер частиц порошка составляет от 2 до 30 мкм для порошков, не содержащих медь, и от 1 до 10 мкм – для порошков с медью. Полученные из порошковых механокомпозитов покрытия обладают градиентной структурой. В составе покрытия из Ti(C,H) присутствует 48 об.% включений фазы карбида титана, окруженных слоями интерметаллидов Fe–Ti. В составе покрытия из Ti(C,H)–Cu формируется 85 об.% включений карбида титана в окружении Ti(Fe,Cu) и CuTi₂. Размер образующихся карбидных включений с округлой формой составляет от 50 до 200 нм, в виде дендритов – до 5 мкм. Полученные покрытия имеют микротвердость 10 и 8 ГПа для составов соответственно без меди и с медью. Проведена оценка износостойкости покрытий в условиях трения в парах с шариком из стали и сплава ВК6 при отсутствии смазки. Коэффициент трения обоих типов покрытий составляет 0,16– 0,3 при испытаниях со сплавом ВК6 и 0,2–0,4 – с закаленной сталью. При нагрузке на контртело 10 Н и времени испытания 20 мин покрытия практически не изнашиваются.

Пористые осадки никеля и никель-кобальтового сплава получены методом электроосаждения на динамическую матрицу из пузырьков водорода. Осаждение проводили из хлоридных электролитов в гальваностатическом режиме при плотности тока 0,3 А/см². Пористость полученных осадков обусловлена наличием макро- и микропор. Установлено, что осадки никеля и никель-кобальтового сплава характеризуются различной структурой пористого слоя. В случае никеля образуется характерная структура пен, тогда как морфология осадка Ni–Co-сплава ближе к рыхлым металлам. Рассчитанная на основе экспериментальных данных общая пористость полученных структур уменьшалась по толщине осадка: для никелевых пен – от 0,4 до 0,1, для Ni–Co-осадка – от 0,9 до 0,8. Показано, что для аппроксимации зависимостей количества макропор и доли поверхности, занятой ими, от толщины осадка может быть использовано логнормальное распределение. Сходимость экспериментальных результатов со значениями, рассчитанными по аппроксимирующим уравнениям, свидетельствует о стохасти- ческой природе процесса формирования системы макропор. Исследованы каталитические свойства полученных пористых осадков по отношению к реакции выделения водорода в щелочи. Установлено, что снижение потенциала выделения водорода по сравнению с гладким электродом для пен никеля достигает 370 мВ, а для пористых осадков Ni–Co-сплава – 440 мВ. Однако высокая пористость сплава Ni–Co являлась причиной плохой адгезии осадка к подложке, поэтому пористый Ni–Co-осадок нельзя использовать без дальнейшего упрочнения. Проанализированы зависимости величины деполяризации при выделении водорода от среднего диаметра пор, их количества и доли макропор. Оптимальные характеристики пен, позволяющие снизить потенциал выделения водорода в щелочи: диаметры пор – от 30 до 50 мкм при их количестве от 50 до 100 шт./мм².

Представлены результаты экспериментов по получению композиционных волокон на основе полиакрилонитрила (ПАН) и магнетита. Для этого были синтезированы наночастицы магнетита методом химической конденсации из растворов хлорида железа (III) с концентрацией 0,32 моль/л и сульфата железа с концентрацией 0,2 моль/л путем постепенного добавления 25 %-ного водного раствора аммиака. Показано, что простым методом осаждения можно синтезировать однородные наночастицы магнетита Fe₃O₄ с размерами частиц 8–25 нм, что подтверждено результатами рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии. Наночастицы магнетита были использованы затем для получения композиционных волокон ПАН/Fe₃O₄ путем добавления магнетита в 7 мас.%-ный раствор ПАН в диметилформамиде. Из суспензии ПАН/Fe₃O₄ в диметилформамиде методом электроспиннинга были получены волокна. По результатам сканирующей электронной микроскопии наночастицы магнетита равномерно распределены по поверхности волокон, при этом размер волокон составляет 288–658 нм. Сравнением волокон ПАН без добавления магнетита и ПАН/Fe₃O₄-волокон установлено, что добавление магнетита приводит к снижению диаметра волокон при одинаковых концентрациях полимера и условиях проведения процесса электроспиннинга. Согласно рентгенофазовому и элементному анализам волокон ПАН/Fe₃O₄, частицы магнетита в составе волокон не изменили свой химический состав и представляют собой однофазный магнетит в среде полимерной матрицы. Результаты проведенных исследований показывают возможность получения композиционных волокон на основе магнетита методом электроспиннинга. Полученные композиционные волокна могут представлять интерес для применения в различных практических областях науки и техники.