Image

"Результат был крайне неожиданным и даже несколько пугающим" © В Тольяттинском государственном университете неожиданно получили стишовит - «космический» сверхплотный минерал.

«Космический» сверхплотный минерал получился в обычных условиях окружающей среды. Аморфные наночастицы кремнезёма при плазменно-электролитическом оксидировании (ПЭО) кратно повысили свойства защитного слоя на алюминиевом сплаве и превратились в сверхплотные твёрдые частицы стишовита.

Для объяснения и прогнозирования его образования учёными России и Израиля была разработана новая количественная теория ударного взаимодействия наночастиц c оксидным слоем.

Плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭО) – современная технология электрохимической обработки сплавов на основе алюминия, магния и титана, позволяющая создавать на поверхности изделий защитный керамический оксидный слой. Такой слой нельзя назвать в полном смысле покрытием, поскольку в его формировании участвует как сам обрабатываемый материал, так и вещества из электролита.

Такое «покрытие» может иметь многократно более высокие механические, теплозащитные и антикоррозионные свойства, чем основной сплав, и защищать его от повреждений при работе в экстремальных условиях. Технологию отличают высокая экологичность и простота организации процесса. Из-за сочетания хороших механических свойств и малой плотности алюминиевые и магниевые сплавы широко используют в машиностроении, в том числе авиа- и автомобилестроении, а также в судостроении.

Однако их поверхность для многих задач оказывается недостаточно износо- и коррозионностойкой. ПЭО позволяет решить большой круг задач по обеспечению необходимых свойств поверхности лёгких сплавов, но часто требуются ещё более высокие свойства для работы изделий в агрессивных средах и в экстремальных условиях изнашивания. Также остаётся проблемой невысокая производительность ПЭО.

Международный коллектив учёных из Тольяттинского государственного университета (ТГУ) под руководством профессора, главного научного сотрудника, доктора физико-математических наук Михаила Криштала при участии ведущего научного сотрудника Израильского Политехнического Института (Технион) физика-теоретика Александра Кацмана модифицировал технологию ПЭО, введя в электролит аморфные наночастицы кремнезёма (диоксида кремния SiO2).

Многочисленные эксперименты в обычных условиях окружающей среды показали, что частицы с размерами от 20 до 40 нм при ПЭО превращаются в сверхплотную (на 60% плотнее кварца) модификацию кремнезёма – стишовит – и фиксируются в оксидном слое. Стишовит был открыт в 1961 году академиком РАН Сергеем Михайловичем Стишовым, в честь которого и получил своё название. Уникальность стишовита состоит в том, что он формируется только в условиях сверхвысоких давлений (80–120 тыс. атмосфер) и температур, выше 500 ºС. Содержащие стишовит породы находятся на недоступных для человека глубинах Земли в несколько сотен километров и редко встречаются на её поверхности в метеоритных и вулканических кратерах. Высокая твёрдость минерала (до 9,5 единиц по минералогической шкале Мооса, что чуть ниже твёрдости алмаза – 10 по шкале Мооса) делает его перспективным для создания твёрдых материалов и покрытий.

– Известно, что многие керамические частицы, попадая в электролит, могут адсорбировать электроны на своей поверхности и, таким образом, заряжаются отрицательно. Эти заряженные частицы попадают в парогазовые пузырьки (ПГП), образование которых в микропоровых каналах предшествует зажиганию и горению микродуговых разрядов при ПЭО. Электрическое поле может разогнать заряженные частицы в таких пузырьках до очень больших скоростей, в несколько раз превышающих скорость звука (до 1000 м/с и более). Столкновение быстродвижущихся заряженных наночастиц с поверхностью более твёрдого оксидного слоя приводит к самым разным эффектам. При неупругом (или частично упругом) столкновении кинетическая энергия частиц преобразуется в энергию деформации сжатия, нагревания частицы и/или в кинетическую энергию отскочившей частицы, обеспечивая различные сценарии взаимодействия в зависимости от размера частицы, – поясняет ведущий научный сотрудник Техниона Александр Кацман.

Разработанная модель позволяет прогнозировать значительное увеличение эффективности процесса ПЭО в присутствии наночастиц в электролите, изменение структуры и состава керамического слоя, улучшение защитных и механических свойств «покрытий». При обработке алюминиево-кремниевого сплава добавка всего 3 грамм наночастиц на литр электролита повышает износостойкость образующегося керамического слоя в 1,5 раза, термическое сопротивление в 4 раза, толщину – более чем в 1,5 раза.

– Размер частиц данного типа имеет определяющее значение для сценария их взаимодействия с поверхностью оксидного слоя, – подчёркивает руководитель проекта главный научный сотрудник ТГУ Михаил Криштал. – Поскольку в электролит невозможно ввести частицы строго определённого размера, в действительности одновременно добавляются разные по величине частицы в определённом диапазоне размеров. Поэтому одновременно могут реализоваться сразу несколько сценариев их взаимодействия – от упругого отскока обратно в электролит до превращения в фазы высокого давления, такие как стишовит, или даже расплавления и химического взаимодействия с металлом основы. Все эти сценарии реализуются при размере наночастиц от 10 до 100 нм.

Стоит отметить, что с частицами большего размера такие интересные эффекты недостижимы. Более того, микрочастицы внедряются в керамический слой при ПЭО совсем по другому механизму – просто осаждаясь на поверхность в результате электрофореза. Ударный сценарий появления наночастиц стишовита очень похож на сценарий космической катастрофы – к подобным эффектам приводит мощный удар метеорита о землю. Только вместо гравитации наночастицы разгоняются электрическим полем. Само по себе ПЭО с точки зрения физики представляет собой циклический процесс, при котором последовательно реализуются самые разные физические механизмы – от формирования парогазовой фазы до микродугового разряда и его гашения. Внедрение наночастиц превращает такой процесс в ещё более сложный, гибридный, добавляя новые механизмы и эффекты, позволяющие, в частности, контролировать длительность горения дуги и таким образом увеличивать производительность всего процесса ПЭО. Одновременно работает и физика плазмы, и физика высокого давления в наномасштабе, и электрохимия.

Впервые учёные из Тольяттинского государственного университета обнаружили стишовит в керамическом слое, формируемом на поверхности алюминиевого сплава при ПЭО с добавками аморфных наночастиц, ещё в 2014 году. Однако потребовалось почти 8 лет, чтобы устойчиво воспроизвести и экспериментально доказать этот результат, а также создать теорию, адекватно объясняющую его и предсказывающую другие эффекты взаимодействия наночастиц с оксидным слоем, формируемым при ПЭО.

– Результат был крайне неожиданным и даже несколько пугающим, так как до нас такие эффекты никто в литературе не описывал. Открыть новую фазу в материале или переход в неё известного вещества – большая удача. И хотя мы были относительными новичками в этой области, мой научный руководитель профессор Михаил Михайлович Криштал поверил в этот результат и ухватился за него, как никто другой понимая его важность, новизну и уникальность. Мы опубликовали работу в Докладах Академии наук. Этот результат также стал частью моей кандидатской диссертации, – рассказывает ведущий научный сотрудник ТГУ, кандидат технических наук Антон Полунин. – С тех пор мы работали как над повторением выявленного эффекта, изучением его границ, так и, главное, над разработкой теоретической базы, модели, которая объясняла бы выявленный феномен, позволяла прогнозировать его возникновение и управлять им. И наконец нам это удалось.

Разработанная теория показывает, что физические свойства частиц, так же, как и их размер, играют решающую роль в сценарии взаимодействия наночастиц с керамическим слоем. В предыдущей публикации международного коллектива учёных представлены результаты исследований эффектов, связанных с добавками в электролит наночастиц карбида титана. Они, в отличие от аморфных частиц кремнезёма, твёрже получаемого оксидного слоя. Поэтому при определённом размере для них характерно химически инертное взаимодействие со слоем, при котором они его просто пробивают, как наноснаряды, внедряясь в слой на глубину, соизмеримую с их размером. Этот эффект также объясняется в рамках разработанной теории.

Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования РФ (госзадание на научные исследования) и будут опубликованы 15 июля 2022 года в журнале Surface and Coatings Technology. Это один из ведущих мировых журналов в области инженерии поверхности и технологий покрытий (входит в Web of Science Core Collection, импакт-фактор – 4,16). В электронном виде статья уже доступна.

Surf. Coat. Technol. публикует всего 18 % поступающих в редакцию научных работ. Сам факт новой публикации указывает на то, что наука может и должна оставаться вне политики, а геополитическая ситуация далеко не всегда влияет на эффективность взаимодействия учёных в рамках фронтирных научных исследований и публикационную политику ведущих журналов.




#Тольятти #ТППТольятти #ТППТ #бизнес_вТольятти #членыТППТольятти #предпринимателиТольятти
Отдел по связям с общественностью ТПП г. Тольятти

Публикация подготовлена в системе Public.RBGmedia

Image

Круглый стол для резидентов ОЭЗ «Дубна» провели Уполномоченный по защите прав предпринимателей и заместитель прокурора региона

29 июня Уполномоченный по защите прав предпринимателей Московской области Владимир Головнёв и заместитель прокурора региона Александр Благородов...

Image

«Енисейский объединенный банк» стал победителем конкурса «Лучшая банковская программа для МСП-2022»

20 июня в Москве прошёл финал седьмого ежегодного конкурса «Лучшая банковская программа для МСП-2022», организованный Торгово-промышленной палатой...

Image

На Саммите «Сильная Россия» обсудят приоритеты развития российской экономики

12 июля на ежегодном Саммите деловых кругов «Сильная Россия»-2022 обсудят возможности трансформации российской экономики: стратегические национальные приоритеты при участии представителей власти, бизнеса,...

Image

Компания Центрально-Сибирской ТПП «СибАвтоДорСнаб» стала лауреатом бизнес-премии «Золотой Меркурий»!

Компания «СибАвтоДорСнаб» — член Союза «Центрально-Сибирская торгово-промышленная палата» — стала лауреатом конкурса «Золотой Меркурий» в номинации «Лучшее малое предприятие в...

Image

В городе Сургуте завершился ежегодный городской конкурс «ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬ ГОДА»

В городе Сургуте завершился ежегодный городской конкурс «ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬ ГОДА» по итогам 2021 года церемонией награждения победителей и чествования участников...

Image

Getmobit представит импортоопережающие разработки на выставке «Иннопром»

Резидент ОЭЗ «Дубна» компания Getmobit приглашает посетить выставку «Иннопром», на которой российский вендор представит новое поколение рабочих станций и систем управления тонкими клиентами....

Image

30 июня. Бесплатные консультации для бизнеса в ЦС ТПП

В Центрально-Сибирской ТПП проходят бесплатные консультации по бизнесу, направленные на разработку программ страхования, обеспечивающих сохранение и поддержание имущественных и иных интересов членов Палаты....

Image

Делегеция г. о. Химки посетила Международный Форум культурно-экономического сотрудничества "Наш мир" в доме Правительства Москвы

21 июня делегеция г. о. Химки в составе депутата Совета депутатов г. о. Химки Каримова Артура Маратовича и директора Центра довузовского...

Image

Челябинские предприниматели рассказали о первых эффектах от моратория на плановые проверки бизнеса

Предприятия Челябинской области после отмены плановых проверок сэкономили сотни тысяч рублей, время и ресурсы, направив их на развитие. Результатами введённого в этом году моратория...

Image

«Господдержка производителей: инструкция по применению-2022»

На прошедшей в Миассе конференции руководителям производственных предприятий Челябинской области рассказали о новых федеральных и региональных программах господдержки. Среди спикеров мероприятия – вице-президент Южно-Уральской...

Image

Президент ЮУТПП поделился опытом участия в проекте по внедрению РИС

Аспекты работы бизнес-объединения над реализацией важнейшего инвестпроекта Челябинской области – Регионального инвестиционного стандарта – Федор Дегтярев представил в Москве, на заседании Совета руководителей...

Image

28 июня. Прямой эфир «Нюансы формирования заявки в Фонд развития промышленности»

28 июня 11.00 в сообществе ЦС ТПП «ВКонтакте» (https://vk.com/cstpp) состоится прямой эфир на тему «Нюансы формирования заявки в Фонд развития промышленности»....

Image

Рафаэль Шагеев озвучил предложения для Правительства РФ, касающиеся импортозамещения в высокотехнологичных производствах

22 июня президент Центрально-Сибирской ТПП Рафаэль Шагеев выступил с докладом «Импортозамещение в высокотехнологичных производствах....

Image

Центрально-Сибирская ТПП и московская IT-компания создадут совместный программный продукт

Соглашение о намерениях сотрудничества президент ЦС ТПП Рафаэль Шагеев и Генеральный директор ООО «МСТ СИСТЕМА» Станислав Исаев подписали 20 июня в...

Image

Центрально-Сибирская ТПП поздравила с 65-летием АО «Солгон»

17 июня состоялось праздничное мероприятие, посвящённое 65-летиию акционерного общества «Солгон».

Image

Деловая женщина Наталья Краснобаева

Наталья Краснобаева, генеральный директор компании-резидента ОЭЗ «Дубна» Hopper IT, стала победителем конкурса «Деловые женщины-2022». Торжественная церемония награждения состоялась в здании Музея русского импрессионизма в...

Актуальные комментарии