3 Проектирование научного эксперимента в материаловедении

и технологии высокотемпературных наноструктурированных

материалов

1. Основные функции и критерии развития

высокотемпературных наноматериалов

Практически все высокотемпературные материалы являются изделиями многофункционального действия, которые одновременно противостоят разрушаемому воздействию внешних факторов энергетической и материальной природы, которое усиливается в условиях функционального воздействия высоких температур.

Из набора основных функций ВТМ можно выделить общие, требованиям которых должны удовлетворять все ВТМ в процессе их изготовления и эксплуатации:

- поддерживать необходимый уровень показателей продукта (металл, стекло, фарфор и т.д.) при нахождении в функциональном или вынужденном контакте с ним в течение процесса производства;

- обеспечивать соблюдение требований критериев безопасности и экологичности;

- повышать экономические показатели процесса производства за счет снижения материальных и энергетических затрат при изготовлении и эксплуатации и увеличения срока эксплуатации.

К частным функциям ВТМ относят стабильность нормативных параметров ТО при заданном уровне термического, термомеханического, термохимического воздействия.

Критерии развития класса ВТМ, так же как и для других классов ТО, в первую очередь должны характеризовать направления эффективного развития, существующие на протяжении длительного времени. К таковым можно отнести:

- переход от использования в технологии изделий природных сырьевых материалов к функционально подготовленным техногенным материалам, включая наноматериалы, со стабильными физико–химическими показателями;

- совершенствование состава технологических операций с целью повышения уровня функционально-физического строения объекта на всех стадиях процесса изготовления;

- уменьшение объема производства изделий общего назначения в пользу роста объема производства высокотехнологичных изделий адресного использования.

Кроме критериев развития, для ВТМ можно выделить общий набор потребительских свойств, которые указаны в нормативных документах на готовую продукцию, и который включает характеристику химического и фазового состава объекта, физического строения и показатели технических свойств.

Набор критериев должен быть достаточен для оценки уровня качества объекта с позиции соответствия заданной или предполагаемой функции.

3.1.1 Элементы функциональной наноструктуры

высокотемпературных наноструктурированных материалов

Закономерность многозначного соответствия между структурой и функциями ВТМ состоит в том, что изделия одинаковой или близкой структуры на практике обеспечивают противостояние термическим, механическим, химическим и другим воздействиям. То есть для множества ТО данного класса можно выделить набор элементов и их взаимосвязей, способных одновременно обеспечить выполнение комплекса заданных функций. Эта закономерность является основой многофункциональности технических объектов разных классов и в полной мере имеет отношение к высокотемпературным материалам, изделиям и конструкциям из них.

В практике материаловедческого эксперимента наиболее часто характеризации подвергают материалы на двух иерархических уровнях в виде порошков (дисперсий) и изделий (образцов). Материал – это вещество, обладающее совокупностью свойств, предопределяющих его практическое назначение (функцию). Аспекты характеризации ВТМ внутри каждого иерархического уровня - состав и химическая гомогенность элементов, основные функциональные компоненты в их фазовом и физическом состоянии, природа и концентрация дефектов, типоразмер, геометрия, строение объекта на макро- , микро- и наноуровнях.

Описание объектов базируется на результатах физико-химического анализа, в который составными частями входят фазовая диаграмма, диаграмма состав-свойство, характеристики микроструктуры и размерность ее фрагментов, как факторы, определяющие свойства материалов.

При характеризации состава приводят качественное и количественное соотношение компонентов, составляющих систему. Система может быть представлена однофазным веществом – химическое соединение, фаза переменного состава, легированные вещества в виде твердых растворов. Помимо однофазных систем в неорганическом материаловедении рассматривают многофазные системы, в которых каждая фаза может быть представлена любой из перечисленных групп материалов. Сочетание фаз разного состава обуславливает новую совокупность свойств, а следовательно, и создание нового материала. Кроме качественной и количественной характеристики состава, в многофазном материале существенную роль приобретает взаимное расположение фаз в объеме. Это позволило выделить структурные группы сложных материалов: эвтектики, армированные, слоистые и др.

Структурные характеристики. Любое практическое описание вещества должно вестись с учетом его агрегатного состояния, которое определяют форму существования всех химических веществ. Твердые материалы делят на аморфные и кристаллические, в том числе монокристаллические, поликристаллические и промежуточные фазы. По физическим свойствам неорганические соединения подразделены на полупроводники, диэлектрики, оптические материалы, магнитные и др. Таким образом, основными характеристиками разных групп химических веществ, используемых в качестве материалов, являются состав, структура и свойство.

Высокотемпературные неорганические материалы в целом представляют собой поликристаллические образования, которые являются в большинстве случаев гетерогенной системой – содержат кристаллическую, аморфную и газообразную фазы. Размер, форма и расположение в объеме кристаллов, стекловидной фазы и пор оказывают существенное влияние на свойства. При этом кристаллическая фаза может иметь стехиометрический состав или являться твердым раствором с разной шириной области гомогенности.

Структура материала (степень однородности, величина, форма, взаимное расположение кристаллических образований, стеклофазы и пор, которые могут располагаться между зернами, по границам и внутри кристаллов, протяженность и форма межзеренных границ), а также дефекты кристаллов и микронеоднородности стеклофазы в совокупности с химическим и фазовым составом определяют свойства разрабатываемых изделий.

Рост твердости и прочности у наноматериалов не зависит от способа получения. У нанокристаллов, полученных кристаллизацией из аморфного состояния наблюдалось повышение твердости как и у многокомпонентных наноматериалов. В тоже время размер зерен, до которого наблюдается упрочнение, зависит от ряда факторов. Соотношение Холла-Петча выполняется до определенного размера частиц, при дальнейшем уменьшении происходит обратный эффект: твердость и прочность уменьшаются

Пригодность материалов определяется совокупностью свойств диктуемых условиями эксплуатации в объектах техники. Пригодность не может оцениваться одним показателем, и чем сложнее область использования материала, тем более многочислен комплекс предъявляемых требований и набор характеристик.

Характеризацию структуры гетерогенных поликристаллических материалов, к которым относятся высокотемпературные наноструктурированные материалы, представляют иерархически соподчиненными описаниями по количественному и функциональному признакам.

Описание по количественному признаку включает характеристики распределения твердого вещества и пор в объеме материала, что позволяет отнести материал к объектам конструкционного или теплоизоляционного назначения.

Описание по функциональному признаку включает характеристики степени и характера распределения элементов и взаимосвязей между ними, достаточные для оценки критических значений факторов внешнего воздействия.