В МАИ создают «материал будущего»

В лабораториях Московского авиационного института (национального исследовательского университета) создают новый вид керамокомпозитов.

6 355

Выбор редакции

Группа специалистов кафедры материаловедения факультета «Прикладная механика» прорабатывает новые методы получения материала будущего – композиционной керамики на основе нитрида кремния, или керамокомпозита. Этот материал обладает высокой прочностью, твердостью, химической стойкостью и устойчивостью к термическому шоку. При этом изделие из нитрида кремния не только весит в разы меньше, чем эквивалентные металлические конструкции, но также обладает недюжинной «стойкостью» ко многим агрессивным средам. В МАИ нитрид кремния используют для изготовления деталей перспективных электроракетных и других типов двигателей.

 

В МАИ создают «материал будущего»

Отладка процесса трехмерного моделирования керамики на основе нитрида кремния по методу впрыска связующего (Binder Jetting)

 

- Порошок кремния, а также дисперсная армирующая фаза, обычно представляющая собой шлифзерно карбида кремния или оксида алюминия, смешивается с расплавленным парафином. Эта дисперсия при 70 0С отливается под давлением не более 5 атмосфер в заранее изготовленную металлическую форму, – рассказывает старший преподаватель, инженер кафедры материаловедения Сергей Ситников. – После отливки парафин затвердевает и его содержание в детали составляет 12-25%. В результате двухстадийной термообработки – сначала до 180 0С в порошке-адсорбенте, а затем до 500 0С на воздухе – технологическую связку в виде парафина удаляют. Отформованный «черепок» отправляется в герметизированную печь, где в результате химического соединения кремния с азотом и получается деталь из нитрида кремния.

 

Процедура получения «материала будущего» начинается с вибромельницы: в нее засыпают 3 кг порошка кремния марки Кр00, который несколько часов размалывается при помощи 30 кг стальных шариков.

 

– Твердые частицы в жидкости подвешены и не оседают – седиментируют (седиментация физический процесс высаживания частичек в результате потери зарядовых поверхностей; частички направляются к одному контакту и в результате образуют изделие,  NS) за счет создания на их поверхности двойного электрического слоя, – отмечает Сергей Ситников. – Для этого мы добавляем в исследуемую дисперсию поверхностно-активные вещества. Они позволяют частичкам одноименно зарядиться и, в соответствии с законом Кулона, оттолкнуться друг от друга.

 

Через емкость, наполненную исследуемой дисперсией, при помощи специального прибора с излучателя на передатчик посылаются ультразвуковые волны и по оценке затухания сигнала определяется средний размер частичек кремния. Таким образом, можно не только измерить распределение частичек в жидкости, но также найти нужное количество поверхностно-активных веществ для получения устойчивости желаемой дисперсии. Устойчивость взвеси определяется дзета-потенциалом (электрическим потенциалом, который возникает при перемещении частиц между концентрированным слоем ионов на поверхности частиц и слоем ионов среды, окружающей частицы, NS) – если его модуль больше 30 мВ, то частички не осядут.

 

В МАИ создают «материал будущего»

Установка для отладки процесса трехмерного моделирования керамики на основе нитрида кремния по методу наплавляемого слоя «Трифон»

 

Спектр применения композитов на основе нитрида кремния, после повышения их технологичности, очень широк. Композит можно использовать для изготовления различных деталей и агрегатов в машиностроении, авиационно-космической технике, химической промышленности. Помимо описанной выше технологии горячего литья керамики ученые из МАИ также «обкатывают» другие методы формовки заготовок для рождения нового перспективного материала. Например, электрофоретический рост (рост изделия в результате создания на поверхности частичек зарядовых поверхностей и дальнейшее приложение разных потенциалов; рост при помощи электрофореза. Электрофорез – процесс образования керамических изделий по средствам заряда до того момента незаряженных частичек; по сути это напоминает гальванику, только для керамических изделий) или различные методы трехмерного моделирования (3D-принтинг).

 

На факультете для работы с керамокомпозитами и в частности с нитридом кремния создаются одновременно два различных типа 3D-принтеров: первый – для печати керамических изделий по технологии формовки заготовки Binder Jetting, а второй – по технологии FDM. С их помощью из нитрида кремния можно будет «выращивать» различные изделия геометрической формы высочайшей сложности.

 

В МАИ создают «материал будущего»

Картридж термоструйной печати HP 6602А, используемый в трехмерном моделировании керамики на основе нитрида кремния по методу впрыска связующего (BinderJetting). Ниже: заготовка, полученная горячим литьем керамики и готовое изделие камера сгорания для бытового отопительного котла из нитрида кремния.

 

– Работа по 3D-принтеру для керамокомпозитов по методу Binder Jetting проходит по Федеральной целевой программе. Первые результаты нас просто окрылили. В ближайшем будущем мы планируем получать сложнейшие изделия для космической техники, говорит Сергей Ситников.

 

По его словам, серийного производства 3D-принтеров для нитрида кремния в России и мире еще не существует. И, может быть, именно МАИ сделает уверенный шаг в этом направлении.

Naked Science Facebook VK Twitter
МАИ
1Статья
Московский авиационный институт - единственный в России, осуществляющий подготовку кадров по всему жизненному циклу изделий авиационной, ракетной и космической техники. Основан в 1930 году.
6 355
Комментарии
7 ч
Сильно подозреваю что эта шляпа хорошо работает лишь...
Аватар пользователя Иван Кузбасов
8 ч
"Взорвавшаяся около тысячи лет назад в 6500 световых...
24 июн
Потрясающая статья , спасибо за собранный материал)

Колумнисты

Физтех
136Статей
Сколтех
55Статей
Discovery Channel
38Статей
ТюмГУ
23Статьи
СФУ
12Статей
Комментарии

Быстрый вход

Или авторизуйтесь с помощью:

на сайте, чтобы оставить комментарий.
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку