Структура и свойства керамоматричных композитов на основе оксида алюминия с углеродными нанотрубками, полученных электроимпульсным плазменным спеканием

Объектом исследования являются керамические модельные образцы из оксида алюминия с добавлением многостенных (одностенных) углеродных нанотрубок, полученные методом спарк-плазменного спекания из порошковых смесей производства Applied Carbon Nano Technology, (Корея) и оксид алюминия производства ОАО “НЭВЗ-Союз”, (г. Новосибирск) и одностенные углеродные нанотрубки в количестве 3 об.% (OCSiAl, г. Новосибирск).

Введение ………………………………………………………………………………………………….. 10
1. Обзор литературы ………………………………………………………………………………. 12
1.1 Характеристика керамических материалов ……………………………………. 12
1.2 Оксид алюминия …………………………………………………………………………… 14
1.2.1 Основные свойства оксида алюминия ……………………………………… 14
1.2.2 Керамические композиты на основе матрицы оксида алюминия. 15
1.3 Углеродные нанотрубки ……………………………………………………………….. 18
1.3.1 Структура и свойства углеродных нанотрубок…………………………. 18
1.4 Керамический композит Al2O3-УНТ ……………………………………………… 21
2. Методика экспериментов. …………………………………………………………………… 25
2.1 Определение распределения частиц по размерам методом лазерной
дифракции …………………………………………………………………………………………….. 25
2.2 Подготовка графитовой пресс-формы к эксперименту …………………… 26
2.3 Подготовка порошковой навески…………………………………………………… 27
2.4 Спарк-плазменное спекание керамических образцов …………………….. 27
2.5 Определение плотности спеченных образцов ………………………………… 29
2.6 Определение микротвердости ……………………………………………………….. 29
2.7 Определение трещиностойкости …………………………………………………… 32
2.8 Рентгенофазовый анализ……………………………………………………………….. 32
2.9 Изучение микроструктуры образцов ……………………………………………… 33
3. Результаты проведенного исследования ……………………………………………… 34
3.1 Характеризация порошковых смесей Al2O3+МУНТ(ОУНТ) ……………… 34
3.2 Плотность образцов ………………………………………………………………………. 41
3.3 Микротвердость ……………………………………………………………………………. 44
3.4 Трещиностойкость ………………………………………………………………………… 46
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 50
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования ………………… 50
4.2 Планирование научно-исследовательских работ ……………………………. 51
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования …………………… 51
4.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ ………………………… 53
4.2.3 Разработка графика проведения научного исследования ………….. 53
4.3 Бюджет научно-технического исследования (НИР) ……………………….. 57
4.3.1 Расчет материальных затрат…………………………………………………….. 57
4.3.2 Основная заработная плата исполнителей темы……………………….. 58
4.3.3 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) … 60
4.3.4 Накладные расходы…………………………………………………………………. 61

4.3.5 Формирование бюджета затрат проекта …………………………………… 61
4.4 Определение ресурсной и финансовой эффективности исследования
5. Социальная ответственность ………………………………………………………………. 67
5.1 Анализ вредных производственных факторов и обоснование
мероприятий по их устранению …………………………………………………………….. 67
5.1.1 Микроклимат ………………………………………………………………………….. 67
5.1.2 Вредные вещества …………………………………………………………………… 69
5.1.3 Освещение ………………………………………………………………………………. 69
5.1.4 Шум ……………………………………………………………………………………….. 72
5.2 Анализ опасных факторов производственной среды ……………………… 73
5.2.1 Пожарная безопасность …………………………………………………………… 73
5.2.2 Механическая опасность …………………………………………………………. 74
5.2.3 Электробезопасность ………………………………………………………………. 74
5.3 Экологическая безопасность …………………………………………………………. 76
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………. 76
5.5 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности … 77
Заключение ……………………………………………………………………………………………… 78
Список публикаций ………………………………………………………………………………….. 79
Список используемой литературы ……………………………………………………………. 80
Приложение (А) ……………………………………………………………………………………….. 88
Список обозначений и сокращений
СПС (SPS) – спарк-плазменное спекание.
РФА – рентгенофазовый анализ.
АСМ – атомно-силовая микроскопия.
СЭМ – сканирующая электронная микроскопия.

В ходе магистерской работы был выполнен комплекс аналитических,
теоретических и экспериментальных исследований: проведен литературный
обзор, была проведена характеризация порошковых смесей, изучен процесс
производства керамики искровым плазменным спеканием. Получены навыки
в работе с высокоточным аналитическим оборудованием, изучены подходы и
методики проводимых экспериментов.
Производство керамоматричных копозитов искровым плазменным
спеканием при различных режимах позволило изучить влияние этих
параметров: максимальной температуры, давления подпрессовки на физико-
механические свойства изделия. Из анализа полученных зависимостей были
определены оптимальные параметры спекания. Так же было определенно
влияние углеродных нанотрубок в матрице оксида алюминия. Углеродные
нанотрубки являются привлекательными материалами для армирования
керамики, а прочная связь МУНТ с матрицей играют важную роль для
усиления.
В результате проведенной работы было показано что, данные
исследования имеют технологическое, экономическое и экологическое
значение.
Список публикаций

1. Данченко В.А., Леонов А.А. Механические свойства композита на
основе Al2O3, армированного одностенными углеродными
нанотрубками // Функциональные материалы: разработка, исследование,
применение: сборник тезисов докладов V Всероссийского конкурса
научных докладов студентов, г. Томск, 29-30 мая 2018 г. – Томск:
Издательство ТПУ, 2018 – С. 55
2. Леонов А.А., Хасанов А.О., Данченко В.А., Хасанов О.Л. Спарк-
плазменное спекание керамоматричного композита на основе Al2O3,
армированного углеродными нанотрубками // Современные технологии
и материалы новых поколений: сборник трудов международной
конференции с элементами научной школы для молодежи, Томск, 9-13
Октября 2017. – Томск: ТПУ, 2017 – C. 74-75
3. Leonov A.A., Khasanov A.O., Danchenko V.A., Khasanov O.L. Spark
plasma sintering of ceramic matrix composite based on alumina, reinforced
by carbon nanotubes // IOP Conference Series: Materials Science and
Engineering. – 2017 – Vol. 286, Article number 012034. – p. 1-7