На основе компьютерного моделирования и экспериментального исследования керамики на основе диоксида циркония показано, что перколяционный переход в хрупком пористом материале от изолированных пор к сообщающимся приводит к изменению зависимости его упругих и структурных характеристик от общей пористости.

Исследовано влияние примесей замещения и вакансий на электронную структуру и оптические свойства кубического диоксида циркония. Показано, что наличие кислородных вакансий обусловливает появление дополнительных вакансионных состояний вблизи уровня Ферми, тогда как примесные атомы дают пренебрежимо малый вклад в состояния валентной зоны и дна зоны проводимости, и их влияние на кристалл носит в основном электростатический характер. Достигнуто понимание причин, способствующих стабилизации высокотемпературных фаз ZrO2 при добавлении Y2O3 и MgO. Получено хорошее согласие с экспериментальными рентгеновскими фотоэмисионными спектрами и оптическими характеристиками.

Исследованы структура и механические свойства керамических композитов ZrO2-Y2O3-Al2O3 с волокнами a-Al2O3, сформированными в результате низкотемпературного отжига и последующего спекания на воздухе, в матрице ZrO2. Предел прочности на изгиб, твердость по Виккерсу и вязкость разрушения спеченных композитовZrO2-Y2O3-Al2O3 с волокнами достигали 600 МПа, 10.8 ГПа и 9 МПахм, соответственно.

Исследовано влияние циклического спекания на фазовый состав и параметры кристаллической структуры на поверхности и в приповерхностном слое керамик на основе системы ZrO2-MgO доэвтектоидного и заэвтектоидного составов. Показано, что на поверхности керамики доэвтектоидного состава с увеличением числа циклов спекания уменьшалась до полного исчезновения доля высокотемпературных фаз ZrO2. В приповерхностном слое, напротив, доля высокотемпературных фаз возрастала с каждым циклом спекания. На поверхности и в приповерхностном слое керамик заэвтектоидного состава доля высокотемпературной кубической модификации ZrO2 с увеличением числа циклов спекания только возрастала.

Методами ИК-спектроскопии, РФА с применением кинетических исследований и термодинамического моделирования разработан и реализован в виде методики атомно-эмиссионного анализа материаловедческий подход, позволяющий с учетом фазовых превращений экспрессно проводить аналитический контроль материалов на основе ZrO2.

Изучено поведение нанокристаллического порошка диоксида циркония при прессовании и спекании. Установлено, что даже при небольшом давлении прессования 50 МПА, происходит интенсивное разрушение структурных элементов порошка. Активное взаимодействие нанокристаллических частиц на стадии нагрева приводит к формированию пористого каркаса, устойчивого к дальнейшему уплотнению при изотермической выдержке в процессе спекания.

Изучены особенности фазового состава и структуры нанокристаллических порошков на основе диоксида циркония, возникающие при нагреве. Обнаружена осцилляция микроискажений решетки, обусловленная изменением дефектной структуры кристаллитов. Установлено, что фазовый состав данного материала определяется уровнем микроискажений.

Исследованы механические свойства керамики ZrO2-3 вес. % MgO в зависимости от количественного фазового состава. Показано, что. уровень механических свойств керамики обусловлен количеством моноклинной фазы, содержащейся в материале. Обнаружено, что помимо, механизма трансформационного превращения, полученная керамика упрочнена микротрещинами. Также изучены триботехнические свойства керамик ZrO2=3 вес.% MgO, упрочненной микротрещинами и мартенситным превращением в условиях сухого трения по стали. Обсуждаются факторы, влияющие на поведение такой керамики при трении и износе.

Изучены образцы горячепрессованной нанокристаллической керамики на основе плазмохимических порошков. Проведен количественный и качественный рентгенофазовый анализ, а также изучены механические характеристики всех полученных образцов. Показано, что с увеличением MgO степень тетрагональности, а также содержание моноклинного диоксида циркония линейно уменьшаются при всех температурах горячего прессования. кристаллиты фазы диоксида циркония в диапазоне температур от 1570 до 1970 К имеют размер от 35 до 90 нм, при этом все дефекты сосредоточены на границах кристаллитов. Установлено, что прочность и твердость керамики линейно возрастают с увеличением содержания стабилизирующей добавки.

Исследуется отклик материала с системой микропор на высокоскоростную сдвиговую деформацию. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Показано, что в процессе деформации такого материала формируют динамические дефекты вихревого типа. Этот процесс характеризуется тремя стадиями. Первая стадия связана с преимущественно ламинарным характером смещений атомов в областях, прилегающих к нагруженным слоям. особенность второй стадии заключается в формировании согласованного вихреподобного движения атомов в области между микропорами. При этом наблюдается периодичность формирования и распада вихревого движения. Период такого процесса составляет порядка нескольких пикосекунд. Третья стадия связана с потерей устойчивости атомной структуры и формированием полос локализованной деформации. Это сопровождается рассогласованием вихревого движения атомов в области между микропорами. Полученные результаты могут иметь практическое приложение при анализе поведения материалов, подверженных радиационному облучению.

Исследована возможность нанофрагментации материала в приповерхностных слоях на начальных стадиях процесса релаксации. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом молекулярной динамики.. Показано, что на начальном этапе процесса релаксации возможно формирование разориентированных наноблоков. Фрагментированная структура формируется в области локализованной деформации вблизи концентраторов напряжений и распространяется вглубь материала. Показано, что в области локализации деформации функция радиального распределения атомной плотности имеет вид размытых пиков, соответствующих пикам идеальной гранецентрированной кристаллической (ГЦК) структуры, а в области кристаллита, где локализация деформации не наблюдается, происходит расщепление пиков ГЦК-структуры, обусловленной деформационным нарушением симметрии. Полученные результаты дают возможность утверждать, что возможным механизмом релаксации внутренних напряжений в постнагруженных твердых телах является эффект нанофрагментации материала.

Проведены исследования деформирования пористой керамики на основе нанокристаллического диоксида циркония. Показано, что накопление микроповреждений носит пороговый характер и после локального разрушения материал продолжает деформироваться по прежнему закону. Существует прямая корреляция между макронапряжениями и локальными (мезоскопическими) параметрами распределения деформаций, области равномерного накопления деформации чередуются с ее резкими изменениями, приводящими сначала к локальному, а затем к макроразрушению всего материала.

Изучены процессы изнашивания керамики на основе тетрагонального диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия (Y-TZP), при высокоскоростном скольжении по стали без смазочного материала. Испытания проводились по схеме палец-диск до скоростей скольжения 47 м/с. Показано, что в процессе испытаний на изнашивание на поверхности керамических материалов Y-TZP и Y-TZP-Al2O3 возникают трибослои сложного состава, которые являются причиной немонотонного изменения интенсивности изнашивания. На первой стадии при увеличении скорости скольжения (от 0,1 до 4 м/с) имеет место смена типа изнашивания от нормального к катастрофическому с высокой интенсивностью изнашивания. На второй стадии (в диапазоне скоростей от 6 до 47 м/с) интенсивность изнашивания уменьшается практически до начальных значений, характерных для малых скоростей скольжения (0,1 м/с). В этом диапазоне скоростей имеет место практически безысносное трение керамик Y-TZP и Y-TZP-Al2O3.

Исследованы структура, фазовый состав и свойства ультрадисперсных керамических порошков диоксида циркония с изменением концентрации соли в растворе при изготовлении порошков методом плазмохимического синтеза. Установлено, что изменение такого технологического параметра, как концентрация соли в растворе, влияет на структуру и свойства получаемых порошков, а именно повышение концентрации приводит к увеличению среднего размера частиц порошков, а также их удельной поверхности и уменьшению насыпной плотности. Это связано с изменением количественного соотношения полых и наполненных сфер в порошке. На фазовый состав и параметры тонкой кристаллической структуры изменение концентрации влияния не оказывает.

Показано, что в структуре керамического материала на основе диоксид циркония происходит формирование разнонаправленных волокон окиси алюминия протяженностью в несколько микрон в процессе термообработки и последующего спекания сильнонеравновесных порошков состава 80 вес. % ZrO2 (3 мол. % Y2O3) + 20 вес. % Al2O3, полученных методом денитрации растворов солей в плазме ВЧ разряда.

В работе представлены трехмерные карты износа диоксида циркония частично стабилизированного окисью иттрия (Y-TZP). Показано, что имеются три характерные области скоростей с разной интенсивностью изнашивания. В условиях мягкого нагружения износостойкость определяется действием механизма трансформационного упрочнения. С повышением скорости вследствие роста температуры этот механизм упрочнения отсутствует, что приводит к резкому росту контактных напряжений, хрупкому термическому разрушению поверхности трения и, как следствие, изнашиванию. При дальнейшем повышении скорости скольжения происходит снижение интенсивности изнашивания материалов вследствие формирования сплошного слоя переноса на поверхности керамики, который залечивает возникающие при трении трещины.

В работе изучены керамические образцы, синтезированные из высокодисперсных порошков на основе ZrO2. Методом рентгеноструктурного анализа исследованы параметры тонкой кристаллической структуры и фазовый состав на поверхности после спекания и в объеме. Установлено, что размер кристаллитов слабо зависит от количества стабилизирующий добавки. С увеличением оксид магния в системе происходит уменьшение доли высокотемпературной кубической фазы. В объеме материала во всех образцах наблюдалось уменьшение кубической модификации ZrO2 и возрастание количества моноклинной. Наблюдалось уменьшение размера кристаллитов моноклинного и кубического ZrO2 и возрастание микродисторсии.

Исследовано деформационное поведение керамики на основе частично стабилизированного диоксида циркония с разной морфологией порового пространства. Обнаружен эффект механической неустойчивости сформированных в процессе синтеза керамики стрежневых и пластинчатых структур, что наряду с чисто упругим поведением керамики и процессом накопления микроповреждений при активной деформации сжатием обеспечивает существенную деформацию пористой структуры без разрушения материала и соответственно более широкий спектр применения пористых керамических материалов.

Исследованы структура поверхности трения и триботехнические характеристики керамики ZrO2+3 мол. % Y2O3 при трении по стальному диску. Показано, что на поверхности трения керамики формируются квазипериодические системы трещин и образуется слой переноса. Обнаружено, что интенсивность изнашивания керамики коррелирует с расстоянием между трещинами, ориентированными перпендикулярно направлению скольжения, и количеством материалов контртела на поверхности керамики.

В работе исследовано механическое поведение при активной деформации сжатием керамики на основе диоксида циркония. Деформационные диаграммы имеют нехарактерный для хрупких консолидированных материалов прогиб вниз. Показано, что отклонение от линейности в деформационном поведении не связаны с перемещением микрообъемов материала, имеет место только упругая деформация. Полученные результаты характеризуют отклик образца, представляющего собой деформируемую систему, образованную в результате технологического процесса "прессование - спекание", на одноосное нагружение. Обнаруженный эффект механической микронеустойчивости ячеистой микроструктуры, образованной вследствие разрушения сферических частиц, составляющих исходный порошок, приводит к механической устойчивости макроскопических структурных элементов.

Исследованы количественные параметры структур, возникающих на поверхности, и износостойкость керамики ZrO2-Y2O3 после трения по стальному диску. Показано, что на поверхностях трения керамики формируются квазипериодические трещины и образуется слой переноса. Обнаружено, что интенсивность изнашивания коррелирует с расстоянием между трещинами вдоль направления скольжения и количеством элементов стального контртела на поверхности керамики.

Проведено исследование морфологии частиц, удельной поверхности и тонкой кристаллической структуры порошков диоксида циркония и карбида титана, подвергнутых механической активации в шаровой мельнице, и свойств керамических композиционных материалов на их основе. Установлено, что максимальную плотность образцов после спекания позволяет получить не совместная, а раздельная механическая обработка порошков Zr02(Y203) и TiC. При этом добавка 15 % TiC позволяет получить минимальную пористость около 1 % и максимальную твердость 12,5 ГПа. В приграничной области между матрицей и упрочнителем происходит диффузионное взаимодействие с образованием сложного оксикарбида.

Изложены результаты структурных исследований композита диоксид циркония/многостенные углеродные нанотрубки, полученного электрофоретическим соосаждением компонентов. На основе данных калориметрии, Раман-спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии показано существенное влияние углеродных нанотрубок на кинетику спекания диоксида циркония, а также структуру и фазовый состав спеченной керамики.

Предложен подход к многоуровневому описанию деформации и разрушения хрупких пористых сред с одним максимумом на гистограмме распределения пор по размерам в рамках метода подвижных клеточных автоматов. Подход основан на определении эффективной функции отклика клеточного автомата прямым моделированием представительного объема пористой среды. Разработана иерархическая модель механического поведения керамики на основе ZrO2 с размером пор соизмеримым со средним размером зерна при сдвиговом нагружении и одноосном сжатии. Исследованы возможности разработанного подхода по учету неоднородности пространственного распределения прочностных свойств пористых сред путем изменения параметров межавтоматного взаимодействия по стохастически выбранным направлениям. Показано, что такой способ учета неоднородности открывает широкие перспективы для многоуровнего описания пористых сред с иерархической структурой порового пространства.

В работе исследуется влияние содержания и характера распределения частиц нановключений в основе высокопрочного мезо-композита на особенности его пластического деформирования в условиях динамического нагружения. В экспериментах образцы мезокомпозита в форме полого толстостенного цилиндра нагружали по схеме «сдвиг + сжатие» с использованием взрывчатого вещества. Установлено, что величина однородной деформации уменьшается с ростом объемного содержания нановключений. Показано влияние механической текстуры, создаваемой распределением нановключений при производстве прутков мезокомпозита, на механизм деформации и развитие трещин. Влияние структуры также исследовано с использованием компьютерного моделирования, возможности которого выявили проявление ротационного характера развития пластической деформации в мезокомпозите с хаотическим распределением структуры.

The paper studies the effect of the amount and distribution pattern of nanoinclusions in a high-strength mesocomposite matrix on its plastic deformation under dynamic loading. The study is performed on mesocomposite specimens shaped as hollow thick-walled cylinders subjected to combined shear/compression loading with an explosive. It is found that homogeneous strain decreases with the growing volume fraction of nanoinclusions. The mechanical texture formed by the distribution of nanoinclusions in mesocomposite bars is shown to influence the deformation and cracking mechanisms. Additionally, the influence of structure is studied by computer simulation. The simulation has revealed that plastic deformation is rotational in the mesocomposite with chaotic structural distribution.