Фундаментальные основы создания металлических и композиционных материаловНИР

Fundamental basics of development of metallic and composite materials

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Фундаментальные основы создания металлических и композиционных материалов
Результаты этапа: Традиционные методы получения металлических сплавов включают в себя процесс высокотемпературной выплавки, и фундаментальной основой этого процесса является установление диаграмм состояния металлических систем при высоких температурах. В рамках этого направления были определены изотермические сечения тройных систем Tm-Ag-Sn и Lu-Ag-Sn при 873 K, а фазовые равновесия в четверной системе Ni-Re-Nb-Cr, ранее исследованные экспериментально, были описаны методом графов, имеющим высокую прогностическую эффективность при относительной вычислительной простоте. Таким образом были заложены основы конструирования жаростойких сплавов, включающих перечисленные элементы. Наряду с методом графов, развивались также методы термодинамического моделирования фазовых равновесий. Для исследованных ранее систем РЗМ-(Ru,Pd,Pt)-(Sn,Ge,Al) впервые был получен в однофазном состоянии ряд интерметаллических соединений, таких как Yb2PdGe6, Ce3RuSn6, CePt3Al3, Ce26Ru13Ge4. Исследование их кристаллической структуры и физических свойств показало, что для них характерна осциллирующая валентность атомов РЗМ, сопровождаемая комплексом электрофизических и магнитных свойств, что делает эти интерметаллиды ценными объектами для развития представлений теоретической физики и определяет перспективы их применения в качестве магнитных материалов. Помимо традиционных способов синтеза кристаллических металлических сплавов, в последние годы получили признание такие методы, как механохимическое сплавление и метод сверхбыстрой закалки. Методом быстрой закалки сотрудниками кафедры получены аморфные сплавы Zr-Cu-Al и изучена зависимость их механических характеристик от состава и условий синтеза. Установлены количественные термодинамические критерии аморфизации металлических сплавов. Метод быстрой закалки позволил также стабилизировать частицы неметаллических включений в металлических сплавах, наличие которых улучшает механические свойства сталей и повышает их коррозионную стойкость. Методом механохимического сплавления получены икосаэдрическая фаза в системе Al-Cu-Fe и декагональная фаза в системе Al-Cu-Fe-Cr и исследованы условия их кристаллизации. Для получения 2D-нанокристаллов кремния разрабатывался метод самосборки под действием флуорофорбных взаимодействий между поверхностными лигандами. Модифицирование поверхности металлических сплавов проводилось химическими и электрохимическими методами. В частности, методом электрохимического осаждения на металлических поверхностях были получены композиционные покрытия металл- металлоид типа Cr-P и Ni-P, повышающие коррозионную устойчивость металлов. Было показано, что электрохимическими методами на поверхности сталей можно создавать структуры из наночастиц платины, что открывает перспективы создания каталитических материалов, намного более дешевых, чем существующие. На поверхностях никелевых и цинковых сплавов электрохимическими методами были созданы ячеистые наноструктруры оксидов металлов, которые, по-видимому, играют важную роль в электродных и электрокаталитических процессах.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Фундаментальные основы создания металлических и композиционных материалов
Результаты этапа: Получены новые интерметаллиды, содержащие редкоземельные металлы, металлы платиновой группы и непереходные металлы 13 и 14 групп. Некоторые из них (Ce11Ru3.83In9, CePd3Al2) проявляют необычные магнитные и электрофизические свойства, что обусловлено флуктуациями валентности атома редкоземельного металла. Шесть новых тройных фаз получены впервые; ведется работа по получению этих фаз в индивидуальном однофазном состоянии. Изучены процессы, происходящие при термической деградации аморфных и квазикристаллических сплавов Al-Cu-Fe и Al-Cu-Fe-Cr и определены условия, позволяющие повысить их термическую устойчивость. Построены термодинамические модели фаз в системах (Au,Cu)-(In,Sn)-Pd, а также модели твердых растворов на их основе, позволяющие с предсказывать области существования фаз и температуры фазовых переходов. Обнаружено образование новых фаз в тройной системе Co-Ni-Ta, вызывающих эффект дисперсионного упрочнения. Установлены их состав и структурные типы. Определены условия формирования оксидных наноструктур на поверхностях титана и никеля в условиях электрохимического синтеза в растворах, содержащих ионные жидкости. В обоих случаях удалось получить гексагональные системы оксидных нанотрубок, направленных перпендикулярно поверхности металла. Образцы титана с оксидными наноструктурами на поверхности проявили каталитические способности в электрохимических процессах окисления/восстановления. На металлических поверхностях методом электрохимического осаждения получены пленки сплавов Ni-P и Co-P. Свежеосажденные пленки являются аморфными, при отжиге происходит их кристаллизация. Разработанные ранее методы перфторфенильной самосборки применены в синтезе нанокристаллов PbS и CdS, в результате в водной среде удалось получить наночастицы сульфидов с различной морфологией. Синтезированы новые ионные жидкости на основе диэтаноламина с металлокомплексными анионами.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Фундаментальные основы создания металлических и композиционных материалов
Результаты этапа: Проведены исследования в области синтеза новых металлических систем, интерметаллидов и композиционных материалов. С целью разработки путей повышения жаропрочности сплавов методом дисперсионного упрочнения изучены условия образования фаз Лавеса в тройных системах Co-Mn-Nb, Co-Mn-Ta, Co-Re-Nb и Co-Re-Ta. Во всех системах в области высоких концентраций ниобия и тантала были обнаружены неизвестные ранее фазы со структурой, аналогичной фазе Лавеса MgNi2 со смешанной заселенностью позиций, причем каждая фаза имеет индивидуальный характер смешанной заселенности. Фазы Лавеса типа MgCu2 и MgZn2, обладающие заметной протяженностью вглубь концентрационного треугольника, обнаружены также в тройной системе Co-Nb-Ni. В рамках синтеза биосовместимых металлических материалов, которые могут найти применение в стоматологии, изучены фазы в тройной системе Pd-Au-In. Обнаружена новая фаза типа AuCu3, содержащая около 20-25% индия и существующая в широком интервале концентраций золота и платины. Исследование ее структуры показало, что упорядочение твердого раствора с кубической гранецентрированной кристаллической решеткой происходит в результате обособления атомов палладия, имеющих наименьший размер. Полученные структурные данные важны для построения термодинамических моделей фаз и последующего термодинамического моделирования указанной системы. Была установлена поверхность ликвидуса системы палладий-медь-золото. В процессе поиска интерметаллических соединений, проявляющих флуктуации валентности атомов лантаноидов синтезированы сплавы в тройных системах Ce-Pt-Al и Ce-Rh-Al. В системе Ce-Pt-Al обнаружено новое интерметаллическое соединение Ce4Pt9Al13, кристаллическая структура которого была определена методом монокристальной дифрактометрии. Для него обнаружено проявление эффекта Кондо, хотя и не очень сильное. Получено еще несколько новых тройных интерметаллических соединений, продолжается процесс определения их структур и изучения физических свойств. В лаборатории структурной химии развит метод самосборки 2D наноматериалов из отдельных квантовых точек на основе специфических взаимодействия между перфторфенильными группами лигандов. Метод применен для пяти систем: 1. Получение кремниевых 2D-нанокристаллов в коллоидных системах. 2. Получение 2D-нанокристаллов кристаллофосфора СаS. 3. Получение 2D-мезокристаллов PbS с латеральными размерами 1x1 мкм2. 4. Получение 2D-мезокристаллов фотокатализатора СdS (0,4 x 0,5 мкм2) в виде нанолент. 5. Получение плоских наноструктур цеолита, легко отделяемые фильтрованием от реакционной системы. Показано, что принцип самосборки, контролируемый специфическими межмолекулярными взаимодействиями, может быть использован как универсальный подход для инженерии 2D-нанокристаллов. По данному направлению получен патент РФ и опубликован ряд статей, в том числе в высокорейтинговых международных журналах. Продолжались работы по синтезу новых экологически чистых растворителей - ионных жидкостей на основе этаноламинов с металлокрмплексными анионами, проведены рентгеноструктурные исследования большого числа монокристаллов органических, металлорганических и неорганических веществ, представляющих как теоретический так и практический интерес. Продолжены исследования закономерностей образования оксидных наноструктур на поверхности титана в процессе анодного электрохимического окисления в среде ионных жидкостей. Установлено, что оксидные ячеистые наноструктуры образуются только при наличии в реакционной среде гидрофильной ионной жидкости. Образование наноструктур оксида титана на металлической поверхности оказывает значительное влияние на кинетику и механизм электрокаталитических реакций на титановых электродах. Разработаны катализаторы для осуществления реакций окисления органических соединений с использованием в качестве окислителя диоксида углерода. Высокую эффективность показали системы, полученные нанесением оксидов хрома на поверхность кремнезема. Оказалось, что состояние хрома в составе катализатора зависит от типа использованного кремнезема. Так, на поверхности кремнезема с невысокой удельной поверхностью образуются кристаллические частицы Cr2O3, а на поверхности ячеистого кремнезема с высокой удельной поверхностью кристаллический Cr2O3 практически не образуется, что способствует высокой каталитической способности этого материала в реакции дегидрирования алканов с образованием алкенов.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Фундаментальные основы создания металлических и композиционных материалов
Результаты этапа: 1. В рамках развития фундаментальных основ получения жаростойких и жаропрочных сплавов были установлены изотермические сечения фазовых диаграмм Co-Re-(Ta,Nb) при 1200 и 1375 К. В области низкого содержания Re открыта новая фаза, соответствующая составам Co67Nb25Re8 и Co68Ta25Re7, обладающая высокой твердостью и имеющая структуру типа MgNi2 со смешанной заселенностью кристаллографических позиций атомами (Ta,Nb) и Re. Образование этой фазы приводит к ухудшению механических свойств сплавов. Вместе с тем, определены интерметаллические фазы, пригодные для дисперсионного упрочнения. По результатам работ опубликованы 2 статьи и 2 доклада. 2. В развитие методов синтеза сплавов для стоматологических применений на основе систем (Au,Ag,Cu)-(In,Sn)-Pd установлены изотермические сечения тройной системы Au-In-Pd при 773 и 1073 К, а также область гомогенности твердого раствора на основе Pd в четверных системах Ag-Au-Pd-In и Cu-Au-Pd-In. Обнаружена новая фаза с протяженной областью гомогенности от 11 ат. % Au и 26 ат.% In до 46 ат. % Au и 20 ат.% In, которая принадлежит к структурному типу Cu3Au. Определены термодинамические характеристики фаз, входящих в состав этих сплавов, с целью построения их термодинамических моделей. Полученная экспериментальная информация позволяет приступить к термодинамическому моделированию этих систем. По результатам работы опубликованы 2 статьи, защищена 1 кандидатская диссертация (Пташкина Е.А.) 3. Продолжались работы (совместно с сотрудниками ИОХ РАН) по созданию новых катализаторов на основе нанесенных на цеолиты и высокопористые кремнеземы композиций металлов (Cu, Zn, Cr, Ga) и их оксидов. Исследовалась активность этих катализаторов в реакциях частичного гидрирования углекислого газа с образованием спиртов, окисления алканов до алкенов действием СО2, а также полного окисления этана. По результатам работы опубликована 1 статья и сделаны 3 доклада на конференциях. 4. Получил дальнейшее развитие направленный поиск интерметаллических соединений на основе церия, проявляющих тяжелофермионные свойства и флуктуирующую валентность церия. Синтезированы в однофазном состоянии образцы Ce2Ru2Al, Ce4Ru3Al2 и Ce2RuAl. Предварительное исследование их электрофизических и магнитных свойств показало наличие перехода в тяжелофермионное состояние при низких температурах. По материалам работы защищена 1 кандидатская диссертация (Марушина Е.В.) 5. Были подведены итоги разработки метода синтеза двумерных нанокристаллов полупроводниковых материалов путем самосборки квантовых точек благодаря взаимодействию поверхностных перфторфенильных групп, опубликована итоговая статья. Исследования в области 2D-наночастиц полупроводниковых материалов были развернуты в направлении синтеза материалов на основе нитрида углерода. В ходе поиска подходящих прекурсоров для синтеза протяженных фрагментов C3N4 были изучены процессы эксфолиации и щелочного гидролиза мелона. Их продуктами оказались циамелураты с различными катионами. По итогам исследования этих реакций опубликована 1 статья. 6. На монокристальном дифрактометре STADI VARI, приобретенном в рамках Программы развития МГУ, выполнялись эксперименты по заявкам сотрудников различных кафедр химического факультета, других факультетов МГУ, а также других университетов - в соответствии с договорами о сотрудничестве. Всего за 2019 год выполнена 261 заявка. Экспериментальные данные переданы заказчикам. В ряде случаев по просьбам заказчиков определение и уточнение структур осуществлялось сотрудниками кафедры. По итогам совместных работ опубликовано 12 статей, защищена 1 кандидатская диссертация (Антоненко Т.А., руководство совместно с кафедрой медицинской химии).
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Фундаментальные основы создания металлических и композиционных материалов
Результаты этапа: 1. В развитие методов синтеза сплавов для стоматологических применений на основе систем (Au,Ag,Cu)-(In,Sn)- Pd установлено изотермическое сечение тройной системы Pd-Cu-In в области содержания индия от 0 до 50% при 773 K. В системе присутствуют как бинарные, так и тройные интерметаллиды, в том числе неизвестный ранее интерметаллид InPd2Cu, структура которого определена из рентгендифракционных данных. Изучено влияние легирующих добавок на глубину областей гомогенности двойных интерметаллидов. Проведено термодинамическое моделирование системы Pd-Ag, при этом достигнуто очень хорошее согласие с литературными термодинамическими данными и уточнены диаграммы состояния, известные из литературы. 2. Изучена активность хромсодержащих катализаторов на силикатных подложках в реакциях дегидрирования предельных углеводородов под действием CO2. Показано, что активность и селективность катализаторов, в которые соединения хрома вводились на стадии синтеза мезопористого цеолита, существенно выше, чем у катализаторов, полученных методом пропитки. 3. В рамках развития фундаментальных основ получения жаростойких и жаропрочных сплавов исследована микроструктура алюминиевых сплавов, содержащих добавки кобальта и циркония. Установлено, что при сверхбыстрой закалке большая часть добавок переходных металлов не успевает образовать интерметаллиды, а остается в составе пересыщенного твердого раствора. Образующиеся в результате отжига при 200оС частицы интерметаллидов Co2Al9 и ZrAl3 повышают твердость сплавов благодаря эффекту дисперсионного упрочнения. 4. Изучено влияние термообработки трубных сталей на их устойчивость к коррозии. Обнаружено, что термообработка при температуре 720оС понижает концентрацию дислокаций и приводит к формированию частиц цементита сферической формы, что повышает коррозионную устойчивость сталей. 5. В ходе работ, направленных на синтез новых тройных интерметаллидов,образуемых лантанидами, платиновыми металлами и p-элементами, получены два новых интерметаллида (YbPtSi2 и LaRh4Al15), а также некоторые известные интерметаллиды (YbRh2Al10, CeRh3Ge7, CePd4,6Al8,4) синтезированы в однофазном состоянии. 6. Изучены процессы образования протективных пленок при электрохимической обработке аморфных сплавов и показано, что при предварительной обработке поверхности металла раствором органической кислоты с последующим анодированием в среде ионной жидкости происходит образование целлюлярных наноструктур, а образующаяся в итоге оксидная пленка обладает повышенной прочностью. 7. На монокристальном дифрактометре STADI VARI, приобретенном в рамках Программы развития МГУ, проведено 187 рентгендифракционных экспериментов по заявкам других кафедр химического факультета, а также других факультетов МГУ. Сотрудники кафедры участвовали в подготовке публикаций по материалам этих исследований. Всего по результатам проведенных в рамках госбюджетной тематики работ в 2020 году опубликовано 18 статей, сделано 2 доклада на конференциях.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".