Заведующий: РЯБКОВ Юрий Иванович
Доктор химических наук

Тел.: (8212) 21 99 21, доб. 25

СОТРУДНИКИ:
к.т.н., н.с. Белых Анна Геннадиевна
м.н.с. Васенева Ирина Николаевна
к.г.-м.н., с.н.с. Грасс Владислав Эвальдович
к.х.н., с.н.с. Истомин Павел Валентинович
к.х.н., н.с. Королёва Мария Сергеевна
к.т.н., н.с. Надуткин Александр Вениаминович
к.г.-м.н., н.с. Назарова Людмила Юрьевна
д.х.н., г.н.с. Пийр Ирина Вадимовна
д.ф.-м.н., с.н.с. Секушин Николай Александрович
к.х.н., н.с. Краснов Алексей Галинурович
АСПИРАНТЫ:
аспирант, м.н.с. Беляев Илья Михайлович

Научные основы создания новых материалов с заданными свойствами и функциями, в том числе высокочистых и наноматериалов.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАУЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

  • Разработка физико-химических основ создания наноструктурированных конструкционных и функциональных керамических материалов с использованием синтетического и природного минерального сырья.
  • Разработка научных основ химической технологии получения керамических и композиционных материалов с высокими эксплуатационными характеристиками.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ НИР ЗА 2015 ГОД

1. Впервые методом вакуумного карбосиликотермического восстановления диоксида титана синтезирована МАХ-фаза Ti4SiC3 в виде объёмной фазы.

(авторы: Истомин П.В., Истомина Е.И., Надуткин А.В., Грасс В.Э.)

Изучено образование Ti4SiC3 в виде объёмной фазы при высокотемпературном восстановлении диоксида титана в условиях вакуума с использованием в качестве восстановителя карбида кремния, позволяющего совместить в рамках одного цикла обработки карботермический и силикотермический процессы. Установлено, что на первой стадии восстановления образуется Ti3SiC2, из которого в результате постепенной деинтеркаляции атомов кремния формируется фаза Ti4SiC3.

2. Изучены особенности формирования слоя Ti5Si3 при высокотемпературном силицировании титана в газовой атмосфере SiO.

(авторы: Истомин П.В., Беляев И.М., Истомина Е.И., Надуткин А.В.)

Проведена серия экспериментов по силицированию тонких пластин из титана марки ВТ 1-0 в газовой атмосфере SiO при 1350 °С. Установлено, что в результате силицирования на поверхности титановой пластины формируется пористый слой, состоящего из частиц Ti5Si3 с низким содержанием кислорода. Одновременно с этим происходит внедрение кислорода в кристаллическую решётку α-титана, приводящее к образованию твёрдого раствора α-Ti(Ox). Толщина слоя Ti5Si3 и концентрация кислорода в решётке α-титана коррелируют с интенсивностью силицирования. Полученные данные позволяют рекомендовать титан марки ВТ 1-0 в качестве эффективного, не образующего побочных газообразных продуктов поглотителя SiO, при проведении аналитических и лабораторных исследований с участием SiO.

3. Впервые установлена высокая ионная проводимость для железосодержащих титанатов висмута Bi4Ti3-xFexO12-δ со структурой типа слоистого перовскита при t ≥ 600 °C, обусловленные изменениями структуры вблизи фазового перехода. Доля ионной составляющей в Bi4Ti1,3Fe1,7O11,15 достигает 0,35 при 700 °С.

(авторы: к.х.н.Пийр И.В., к.х.н.Королева М.С., асп.Краснов А.Г.)

В кристаллических структурах типа слоистого перовскита блочное строение и допирование атомами переходных элементов влияет на электрофизические свойства, в частности на температуру начала протекания релаксационных процессов (например, появления ионной проводимости). Изучено влияние замещения титана атомами железа на строение, термическую стабильность, фазовые переходы, электрические и транспортные свойства Bi4Ti3-xFexO12-δ со структурой слоистого перовскита (B2cb, 0 ≤ х ≤ 0,5 , число слоев в перовскитоподобном блоке m = 3; Fmm2, 0,6 ≤ х ≤ 1,7, m = 4). На графиках показано понижение структуры перовскита с повышением температуры. Наличие фазового перехода объясняет появление ионной проводимости при t ≥ 600 °C. Для Bi4Ti1,3Fe1,7O11,15 доля ионной проводимости составляет 0,35 при 700 °С.

4. Подготовлены исходные данные для разработки Комплексного проекта высокотехнологичной переработки природного сырья месторождений Республики Коми: титанового (Ярега), доломитового (Чинья-Ворык, Воркута, др.), каменной соли (Серегово). Разработка и выбор технологических схем обогащения и первичной переработки указанных видов сырья позволили предложить оригинальные схемы комплексного использования ряда продуктов переработки с получением новых видов продукции. Особое внимание уделено использованию отходов обогатительных и перерабатывающих производств, с целью как расширения номенклатуры выпускаемой продукции, так и для уменьшения техногенной нагрузки на окружающую среду. (д.х.н.Рябков Ю.И., к.г.-м.н.Назарова Л.Ю.)

5. В результате разработки научных основ получения эпоксиполимерных матриц, обладающих повышенной термостойкостью с использованием новых эффективных катализаторов окисления на основе терпенофенолов (исполнители к.х.н.Ситников П.А., к.х.н. Белых А.Г., Васенева И.Н.) разработаны эпоксидные композиции, которые используются в качестве связующего для армированных пластиков (стекло-, базальто- и углепластитки). Эпоксидная композиция горячего отверждения для изготовления армированных пластиков включает в себя эпоксидный олигомер, отвердитель, катализатор реакции полимеризации - 2,4,6,-трис(диметиламинометил)фенол и терпенофенольный стабилизатор. В качестве олигомера она содержит смолы марок ЭД-20, ЭХД и др., а в качестве стабилизатора содержит терпенофенольное соединение 4,6-диизоборнил-1,3-дигидроксибензол (ТР), либо 2,6-диизоборнил-4-метилфенол (ТФ), либо 4-диметиламинометил-6-метил-2-изоборнилфенол (1-ТАФ), либо 4-диметиламинометил-2,6-диизоборнилфенол (2-ТАФ), сочетающие структуры классов терпенов, аминов и фенолов. Стабилизатор 2,6-диизоборнил-4-метилфенол (ТФ) показывает наименьшее снижение прочности при термическом старении – 3%, что говорит об эффективности его использования в эпоксидных системах. Аминотерпенофенольные стабилизаторы 1-ТАФ и 2-ТАФ также позволяют повысить устойчивость полимера к термическому старению: прочность при выдержке при температуре 130оС понизилась на 15 %.

6. В результате исследования физико-химических закономерностей процессов, протекающих при получении полимерных КМ на основе эпоксиполимерной матрицы и органо-неорганических композиций целлюлозы с нанодисперсными оксидами алюминия, кремния, титана (к.х.н.Ситников П.А., к.х.н. Белых А.Г., Васенева И.Н.) впервые изучены процессы, протекающие при полимеризации эпоксидного олигомера в присутствии модифицированных полисахаридов с привитыми функциональными группами (карбоксиметильными, этильными, гидроксиэтильными, альдегидными, аминными, тиольными и тозилатными). Установлены условия синтеза композиционного материала. Введение производных целлюлозы позволяет повысить теплостойкость материала на 15-20оС и прочностные характеристики на 30%. Наиболее высокие результаты эксплуатационных характеристик наблюдаются у образцов с низким содержанием производных целлюлозы (1 масс.%).

ПУБЛИКАЦИИ ЗА 2015 ГОД (pdf)

Важнейшие достижения в области керамического материаловедения за 2017 год

  1. Разработан метод получения непрерывных волокон SiC и текстильных материалов на их основе путём силицирования углеволокнистых материалов-прекурсоров в газовой атмосфере SiO.

(авторы: к.х.н.Истомин П.В., Истомина Е.И., Надуткин А.В.). Лаборатория керамического материаловедения)

Разработан метод получения текстильных материалов (тканей, лент, жгутов, рукавов и т.п.), состоящих из непрерывных мультифиламентных волокон SiC с диаметром филаментов около 7 мкм. Метод основан на продолжительной силицирующей обработке углеволокнистых текстильных материалов-прекурсоров в газовой атмосфере SiO при температурах 1300–1450 °С в реакторе периодического действия в соответствии с реакцией: 2C + SiO = SiC + CO. Получены образцы текстильных материалов из волокон SiC, характеризующихся высокой степенью конверсии углеродного прекурсора в карбид.

  1. Впервые методом вакуумного карбосиликотермического восстановления оксидов титана и циркония получены твёрдые растворы кремнийсодержащих МАХ-фаз (Zr,Ti)3SiC2 и (Zr,Ti)4SiC3.

(авторы: Истомин П.В., Истомина Е.И., Надуткин А.В., Грасс В.Э.). Лаборатория керамического материаловедения)

Впервые в системе Zr–Ti–Si–C синтезированы кремнийсодержащие МАХ фазы, представляющие собой твёрдые растворы (Zr1‑x,Tix)3SiC2 и (Zr1‑x,Tix)4SiC3 с высоким содержанием циркония (x = 0.25–0.50). Синтез осуществлён методом вакуумного карбосиликотермического восстановления оксидов титана и циркония при температурах 1600–1650 °С с использованием карбида кремния в качестве восстановителя. Полученные МАХ фазы перспективны для использования в качестве материалов для жёстких условий эксплуатации, предполагающих совместное действие высоких температур, агрессивных сред, ударных термических и механических воздействий.

3. Разработан метод получения термически устойчивых допированых титанатов висмута с высокой диэлектрической проницаемостью и низкими диэлектрическими потерями, перспективных в качестве материалов для многослойных конденсаторов.

(авторы: Пийр И.В. Краснов А.Г.) Лаборатория керамического материаловедения)

В результате изучения допирования титаната висмута со структурой типа пирохлора s- и p-элементами методом твердофазного синтеза получены термические устойчивые соединения с высокой диэлектрической проницаемостью и низкими диэлектрическими потерями. Титанаты висмута, допированные скандием и индием, по своим электрофизическим параметрам сопоставимы с цинксодержащим ниобатом висмута со структурой типа пирохлора, используемым в настоящее время в электронике при изготовлении многослойных конденсаторов. Полученные соединения в отличие от Bi2Ti2O7, разлагающегося при 612 ºС, устойчивы вплоть до температур плавления ( ~1100ºС), что расширяет возможности их использования в качестве материалов для современной электроники.

Электрофизические параметры титанатов висмута со структурой типа пирохлора

Соединение

Частота

ε'

tgδ

Bi1.6In0.2Ti2O7-δ

1 МГц

69

0.0035

Bi1.6Sc0.2Ti2O7-δ

1 МГц

71

0.0050

Bi1.6Sc0.4Ti2O7-δ

1 МГц

98

0.0058

Bi2Ti2O7 [Ch.G. Turner, 2014]

1 MГц

113

0.0053

Bi1,6Zn0,8Nb1,6O7-δ [K.B.Tan, 2009]

> 100 кГц

ε ~ 148

0,002

Важнейшие результаты фундаментальных исследований за 2016 год

  1. 1. Разработана технологическая схема получения высокоплотных карбидных материалов методом одноосевого горячего прессования порошковых композиций на основе устойчивых объемных МАХ фаз Ti3SiC2 и Ti4SiC3.

Проведено одноосевое горячее прессование керамических порошков, содержащих в качестве основного компонента МАХ фазы Ti3SiC2 и Ti4SiC3. Порошки для горячего прессования были получены вакуумным карбосиликотермическим восстановлением диоксида титана карбидом кремния при температуре 1600°С в течение 15 мин и 360 мин, соответственно, и содержали примеси карбида титана в количестве 10 об.% и 20 об.%, соответственно. Горячее прессование проводилось в графитовых пресс-формах при давлении 25 МПа. Температурный режим включал нагрев до 1600 °С со скоростью 2000 °С/час и изотермическую выдержку в течение 2 часов. Показано, что в ходе горячего прессования структурная устойчивость МАХ фаз Ti3SiC2 и Ti4SiC3 сохраняется.

Была изучена динамика уплотнения порошков в ходе горячего прессования. Установлено, что порошки начинают уплотняться при температурах выше 1050 – 1100 °С. Максимум скорости уплотнения для порошка, содержащего МАХ фазу Ti3SiC2, наблюдался при температуре 1395°С. Для порошка, содержащего МАХ фазу Ti4SiC3, эта характеристика составила 1455°С, т.е на 60 °С выше. В целом, можно заключить, что уплотнение порошка, содержащего МАХ фазу Ti3SiC2, происходит более интенсивно, и в ходе горячего прессования достигается уплотнение образца до плотноспечённого состояния. В случае МАХ фазы Ti4SiC3 полного уплотнения образца не достигается; остаточная пористость оценивается по кривым уплотнения на уровне 10 - 15 %. Полученные данные указывают, что МАХ фаза Ti4SiC3 проявляет меньшую пластичность по сравнению с Ti3SiC2, что хорошо коррелирует с различиями в их кристаллическом строении.

Исп.: с.н.с. к.х.н. Истомин П.В., н.с. к.х.н. Истомина Е.И., н.с. к.т.н. Надуткин А.В., с.н.с. к.г.-м.н. Грасс В.Э.

Лаборатория керамического материаловедения Зав. лаб. д.х.н. Рябков Ю.И.

  1. 2. На основании термодинамического расчёта фазовых равновесий твёрдое – расплав для системы Ti–Si–C в интервале температур 1350 - 2300 °С определены составы фаз в нонвариантных точках, построены диаграммы фазовых равновесий и определены условия кристаллизации МАХ фазы Ti3SiC2 из пересыщенных высокоуглеродных расплавов.

Выполнен термодинамический расчёт фазовых равновесий твёрдое – расплав для системы Ti–Si–C в интервале температур 1350 - 2300 °С. В расчётах использовались температурные зависимости свободной энергии Гиббса G°(T) для газов, стехиометрических соединений, а также бескислородных фаз переменного состава, включая силицид титана (Ti5+3y-2zSi3-3y+2zCx), карбид титана (TiCx), титан-кремний-углеродный расплав (Ti1-x-ySixCy). На основании выполненных расчётов определены составы фаз в нонвариантных точках и построены диаграммы фазовых равновесий. Показано, что при температурах ниже 2200°С поля кристаллизации МАХ фазы Ti3SiC2 накладываются на поля кристаллизации TiCx и Ti5Si3Cx. В связи с этим можно заключить, что кристаллизация МАХ фазы Ti3SiC2 из расплава при СВС-компактировании композиций Ti – SiC происходит из сильно пересыщенных расплавов с высокой концентрацией углерода.

Исп: с.н.с. к.х.н. Истомин П.В.

Лаборатория керамического материаловедения Зав. лаб. д.х.н. Рябков Ю.И.

3. Установлена ионная проводимость допированных титанатов висмута со структурой типа пирохлора

На основании анализа релаксационного процесса в области частот 1- 100 кГц при температурах выше 400оС и определения чисел ионного переноса методом ЭДС установлена ионная проводимость впервые полученных допированных титанатов висмута со структурой типа пирохлораBi1,6МхTi2O7-δ, где Me – Cr, Cu, Fe (рис. 2, табл. 1,2 ).

а

б

Рис.2. Частотная зависимость мнимой части электрического модуля: a – Bi1.6Cu0.2Ti2O6.6; b –– Bi1.6Cu0.6Ti2O7-δ

Таблица 1 Энергия активации процессов релаксации и проводимости Bi1,6МехTi2O7-δ

Состав

Ea (релакс.), эВ

f0, Hz

Ea (провод.), эВ

Bi1.6Cu0.2Ti2O6.6

0.51±0.03

9.23·108

0.51±0.09

Bi1.6Cu0.6Ti2O7

0.46±0.01

1.67·109

0.42±0.02

Таблица 2 Числа ионного переноса заряда в Bi1,6МехTi2O7-δ

Т, °С

ti в Bi1,6Cr0,16Ti2O7-δ

ti в Bi1,6Cu0,2Ti2O7-δ

ti в Bi1,6Fe0,16Ti2O7-δ

640

0,16

0,2

0,15

700

0,18

0,21

0,18

750

0,19

0,26

0,20

Исп.: с.н.с. к.х.н. Пийр И.В., н.с. к.х.н. Королева М.С., с.н.с. д.х.н. Секушин Н.А., аспирант м.н.с. Краснов А.Г.

Лаборатория керамического материаловедения Зав. лаб. д.х.н. Рябков Ю.И.

4. Получены допированные титанаты висмута с высокой фотокаталитической активностью в видимом свете.

В допированных титанатах висмута Bi1.6МхTi2O7-δ (М = Sc, In, Fe, Ni, Cu) со структурой типа пирохлора (рис. 3) по данным оптических спектров поглощения установлены величины запрещенной зоны прямого и непрямого переходов в видимом диапазоне (λ ≤ 3.2 эВ) (рис. 4). Наноразмерные соединения перспективны в качестве фотокатализаторов в видимой области спектра. Фотокаталитическая активность оценивалась по результатам разложения органического красителя родамина Б под действием видимого излучения в присутствии Bi1.6Ti2O6.7 и Bi1.6МхTi2O7-δ (М = Fe, Ni, Cu) со структурой типа пирохлора. Выявлено, что все титанаты висмута проявляют фотокаталитическую активность в видимом свете. Увеличение активности допированных соединений обусловлено сдвигом полосы поглощения света в длинноволновую область.

Рис.3 Допированный жлезом титанат висмута в наноразмерном состоянии

Рис.4 Спектры оптического поглощения допированных титанатов висмута

Таблица 1 Величины энергий соответствующих прямым и непрямым переходам между электронными уровнями по данным оптического поглощения

Таблица 2 Оценка фотокаталитической активности

( по родамину Б)

Образец

Eg, эВ (непрямой переход)

Eg,эВ

(прямой переход)

Bi1,6Mn0,1Ti2O7-

1,8

2,9

Bi1,6Co0,2Ti2O7-δ

2,05

2,97

Bi1,6Fe0,2Ti2O7-δ

2,05

2,6

Bi1,6Ni0,2Ti2O7-δ

2,7

3,05

Bi1,6Cu0,2Ti2O7-δ

1,6 (I ст.)

2,62 (II ст.)

2,15 (I ст.)

3,15(II ст.)

Соединение

Степень разложения рБ ΔA/A, %

TiO2

0

Bi1,6Fe0,1Ti2O7-δ

45

Bi1,6Ni0,1Ti2O7-δ

20

Bi1,6Cu0,1Ti2O7-δ

47

Исп.: с.н.с. к.х.н. Пийр И.В., н.с. к.х.н. Королева М.С., аспирант м.н.с. Краснов А.Г.

Лаборатория керамического материаловедения Зав. лаб. д.х.н. Рябков Ю.И.

Публикации за 2016 год

Публикации за 2017 год