За установление механизмов массопереноса в процессах спекания кремния и углерода с нанодобавками, позволяющих формировать конструкционные элементы из композита с уникальными механическими и теплофизическими свойствами, работа сотрудников Института порошковой металлургии отмечена в ТОП-10 фундаментальных исследований НАН Беларуси. Среди исполнителей – генеральный директор ГНПО порошковой металлургии Александр Ильющенко, старший научный сотрудник Евгений Звонарев, ведущий технолог Александр Майсюк и автор этих строк (на фото).
 
Научно-технические достижения последнего времени в области астрономии, космической и лазерной технологии для изучения космического пространства, мониторинга состояния атмосферы Земли и ее поверхности в значительной мере стали возможными благодаря появлению новых высокоточных оптических наземных и космических телескопов, размеры которых постоянно увеличиваются.
 
В отличие от зеркал наземных телескопов, условия эксплуатации космических зеркал принципиально отличаются вследствие воздействия невесомости, космических тел, резких перепадов температур. Кроме того, космические телескопы испытывают значительные инерционные, вибрационные и ударные нагрузки в период вывода на орбиту. К телескопам предъявляются повышенные требования по жесткости, сохранению формы, размерной стабильности, термодеформациям. Они ограничены по размерам из-за выводящего на орбиту спутника. Немаловажным является снижение массы зеркал. Для уменьшения массы зеркал можно применять материалы с низкой плотностью, однако они должны обладать необходимым комплексом механических и теплофизических свойств. В Институте порошковой металлургии было предложено использовать композиционные керамические материалы, и созданы научные и технологические принципы их создания.
 
Композиционные керамические материалы состоят из карбидокремниевой основы и зеркального слоя в виде оптического стекла. Карбидокремниевые материалы были выбраны благодаря их уникальным физико-механическим и теплофизическим свойствам, таких как малый КТЛР, рекордный модуль упругости, отличная теплопроводность.
 
В настоящее время эти материалы широко применяются для изготовления зеркальных элементов в различных оптических системах. Зеркала обеспечивают высокую оптическую стабильность, минимизируют термоупругую деформацию, позволяя обеспечить геометрические изображения высокого качества.
 
Получение заготовок облегченных зеркал из карбида кремния − сложный технологический процесс. В большинстве своем это связано с трудностью получения однородной структуры и фазового состава в объеме заготовки, особенно крупных размеров, остаточной пористостью, необходимостью использования специализированных крупногабаритных печей для реакционного спекания. Кроме того, карбид кремния по твердости уступает только алмазу и нитриду титана, поэтому для формирования поверхностей с необходимой шероховатостью используется специальное станочное оборудование.
 
Одним из вариантов получения крупногабаритных заготовок зеркал из карбида кремния является изготовление составных зеркал из отдельных элементов. Такие элементы легче изготовить и обработать. Однако на данный момент отсутствуют способы соединения отдельных карбидокремниевых элементов, этот вопрос требует специального изучения и специального термического оборудования.
 
В Институте порошковой металлургии проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов получения керамических материалов на основе карбида кремния, установлен механизм воздействия химического и фазового состава используемых ингредиентов и функциональных нанодобавок на формирование структуры, механические и теплофизические свойства карбидокремниевых материалов при реакционном спекании. Установлено, что уровень свойств реакционноспеченной карбидной керамики определяется не только содержанием углеродсодержащей добавки и пористостью карбидного каркаса, но и его химическим и дисперсионным составом.
 
Для повышения скорости процессов массопереноса кремния и наиболее полного его химического взаимодействия с углеродом предложено использовать углеродсодержащую добавку с различной кристаллической структурой или в виде сложномолекулярных соединений.
 
Показано, что при введении в карбидокремниевую основу добавок карбидов легких элементов формируется в процессе реакционного спекания объемная каркасная структура, состоящая из первичного, вторичного карбида кремния и сложных карбидных соединений. Она обеспечивает высокий уровень механических свойств. На основании экспериментальных исследований разработан состав на основе карбида кремния, обеспечивающий активацию процесса образования вторичного карбида кремния и способствующий формированию плотной, однородной, мелкозернистой структуры карбидного материала.
 
Немаловажным является разработанный процесс получения из карбидокремниевого материала сложнопрофильных элементов с высокой степенью облегчения и последующего их соединения реакционной пайкой материалом с идентичными фазовым составом и свойствами с основой в прочную крупногабаритную конструкцию.
 
Для создания определенных оптических свойств разработан эффективный метод нанесения на карбидокремниевый сложнопрофильный каркас специального оптического стекла методом термической обработки.
 
https://quwickalef.ru/safonovo-smolenskaya-oblast.html Владимир ОСИПОВ, старший научный сотрудник
go Института порошковой металлургии НАН Беларуси