Tag: разработка

Композиты из вольфрама и меди с улучшенными свойствами применяются для компонентов, обращенных к плазме (КОП), в установках термоядерного синтеза. Исследования показали, что теплофизические и механические характеристики композита из вольфрама и меди не уступают аналогам, изготовленным классическими методами, однако в случае гибридных аддитивных технологий возможно реализовать более эффективный теплоотвод и повысить термоциклический ресурс за счет предложенного дизайна композита из вольфрама и меди.

«Университет МИСИС — признанный лидер в области материаловедения в России, входит в топ-100 лучших вузов мира по направлению Materials Science ведущего международного рейтинга QS. Наши ученые занимаются разработками, впоследствии находящими применение в различных отраслях промышленности, включая наукоёмкие. Коллектив исследователей под руководством молодого ученого, PhD Станислава Чернышихина разработал новый композиционный материал для применений в термоядерных реакторах отечественного производства», — рассказала Алевтина Черникова, ректор Университета МИСИС.

Вольфрам считается одним из основных материалов для компонентов, обращенных к плазме за счет высокой температуры плавления и пороговой энергии для физического распыления, а также низкому удержанию изотопов водорода. Однако его сложно механически обрабатывать из-за высокой твердости и хрупкости. Чтобы изготовить изделия из вольфрама, обычно применяют методы порошковой металлургии, но классические технологии не позволяют создавать сложнопрофильные изделия. Поэтому традиционный дизайн КОП представляет собой простую многослойную конструкцию. Альтернативой к классическим технологиям является аддитивное производство, которое позволяет послойно синтезировать изделие, в том числе пористые структуры. Свойства таких изделий могут быть адаптированы для конкретной задачи за счет варьирования особенностей геометрической структуры.

«Исследования и разработка новых методов для изготовления деталей из вольфрама обладает высокой практической значимостью. Технология селективного лазерного плавления (СЛП) является одним из наиболее популярных и применяемых методов аддитивного производства металлических изделий из-за возможности синтеза деталей сложной формы с высокой разрешающей способностью. Стоит отметить, что производство изделий из вольфрама с помощью метода СЛП является сложной задачей из-за высокой температуры плавления, образования дефектов несплавления, микротрещин и перегрева различных узлов в установках», — отметил Станислав Чернышихин, PhD, заведующий лабораторией Университета МИСИС.

Изучив условия лазерного синтеза вольфрама, коллективу НИТУ МИСИС удалось получить относительную плотность сплошных образцов в 96,7%. Сначала для создания биметаллического материала были изготовлены скелетные структуры гироида вольфрама, похожие на изогнутую сетку или волну. Затем в матрицу металла была инфильтрирована медь при температурах до 1350°C c in situ мониторингом процесса. Изучение смачивания и кинетики пропитки вольфрамовых матриц позволили установить оптимальные условия инфильтрации.

Механические испытания показали, что композит оказался гораздо пластичнее чистого вольфрама — он выдерживал деформацию до 35% без разрушения. Также ученые университета совместно с АО «НИИЭФА» провели измерения температуропроводности в широком диапазоне температур (до 800°С). Было установлено, что с уменьшением размера элементарной ячейки структуры наблюдается небольшое понижение температуропроводности, но при этом возрастают прочностные характеристики.

«В дальнейшем мы планируем перейти к производству макетов КОП и теплонагруженным циклическим испытаниям. При испытаниях будут моделироваться воздействия приближенные к реальным эксплуатационным условиям в термоядерных установках», — добавил Станислав Чернышихин.

На основе этого вещества получается более прочный и устойчивый к влаге цемент, который к тому же быстрее затвердевает. Новый метод отличается простотой, значительно меньшими материальными затратами по сравнению с традиционными технологиями, а также большей энергоэффективностью — вместо температуры 700-900°C требуется всего 40°C.

В среднем, одно предприятие, занимающееся энергетикой, производит до 1000 тонн отходов в год. Для их утилизации на источниках водоснабжения используются химические реагенты на основе железа и алюминия и добавки извести, из которых образуется осадок.

«Новая технология позволяет производить стройматериалы из локальных отходов. Это делает её экономически привлекательной для стран, где строительные материалы в дефиците, а расходы на доставку существенно повышают стоимость работы. Предлагаемое решение может быть адаптировано для любых регионов, где применяется известь и коагулянты для водоочистки, что открывает широкие перспективы для его глобального внедрения», — отметил Валентин Романовский, PhD, эксперт Белорусского государственного технологического университета (БГТУ).

Ученые БГТУ, НИТУ МИСИС, Юго-западного университета науки и технологий (Китай) представили технологию переработки извести в высокопрочный аналог цемента — ангидрит (CaSO₄). Он является безводной формой сульфата кальция (в отличие от гипса, который содержит молекулы воды в своей структуре). Ангидрит встречается как в природной, так и в синтетической форме.

«Университет МИСИС по госпрограмме „Приоритет-2030“ реализует проект „Технологии устойчивого развития“, в рамках которого наши ученые создают высокотехнологичные решения, способствующие снижению техногенной нагрузки и формированию комфортной среды. Новая технология, разработанная международным коллективом исследователей под руководством молодого талантливого учёного, к.т.н. Дмитрия Московских, позволит значительно сократить объемы промышленных отходов», — сказала ректор Университета МИСИС Алевтина Черникова.

В чистом виде полученный цемент не проявляет пластичных свойств. Для улучшения прочности на сжатие ученые добавили смесь вяжущего вещества портландцемента, сульфата калия и гидроксида кальция. Подробности исследования опубликованы в журнале Engineering Reports (Q2).

«Мы нашли способ перерабатывать загрязняющие окружающую среду отходы в прочный строительный материал с чистотой до 99,8%. Из остатков извести мы сделали аналог цемента, который может быть использован для строительства домов, дорог или других объектов. Также отмечу, что побочные продукты, образующиеся на стадии центрифугирования синтетической суспензии ангидрита, могут использоваться в качестве удобрения. Такой фильтрат содержит растворенные соли, которые способствуют увеличению массы корневой системы и сухой массы растения, что делает его эффективным микроудобрением. Следовательно, весь процесс получения ангидрита практически безотходный», — сказал соавтор исследования, к.т.н. Дмитрий Московских, директор НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСИС.

В будущем исследователи планируют повысить производительность и снизить затраты технологического процесса, а также адаптировать методику для работы с различными типами отходов, что позволит применить технологию на предприятиях разных стран.