На кафедрі фізики металів працює потужна наукова група, що спеціалізується на питаннях синтезу і досліджень широкого спектру матеріалів, здатних витримувати екстремальні механічні і теплові навантаження. Дослідження виконуються за декількома тематиками, опис яких наводиться нижче:

• Реакційне гаряче пресування і дослідження надвисокотемпературних керамік для роботи в екстремальних умовах
• Синтез і дослідження шаруватих керамічних бронематеріалів
• Фізика flash-синтезу сучасних матеріалів

Реакційне гаряче пресування і дослідження надвисокотемпературних керамік для роботи в екстремальних умовах

Надвисокотемпературні кераміки можуть працювати на повітрі за температур до 2000°С. Такі кераміки (а кращими з них вважаються системи ZrB₂-SiC та HfB₂-SiC) є основними кандидатами для термічного захисту надзвукових літаків.  Відомо, що швидкість таких літаків на сьогоднішній день є обмеженою через нездатність сучасних авіаційних матеріалів витримувати температури вище1600°С, які виникають внаслідок взаємодії кромки крил із повітрям. Окрім того, надвисокотемпературні кераміки можуть бути використані для створення двигунів внутрішнього згоряння, що не тільки матимуть істотно вищий ККД, але й сприятимуть повному окисленню палива до СО₂ та Н₂О, а, отже, не забруднюватимуть атмосферу.

З іншого боку, перетворення сонячної енергії на електрику можливе за рахунок побудови сонячних веж, котрі сприйматимуть концентровані промені, відбиті від великої площі за допомогою дзеркал. Світлоприймач такої вежі, виготовлений з надвисокотемпературної кераміки, допоможе підвищити ККД електростанції та відкриє реальну можливість створення електрики абсолютно
екологічним шляхом.

Однак, є дві основні проблеми, що перешкоджають широкому використанню надвисокотемпературних керамічних матеріалів. Перша з них – це крихкість та пов’язана з нею низька стійкість до різкої зміни температур. Друга – необхідність підтримання високих (близько 2000°С) температур впродовж години для виготовлення таких матеріалів, що істотно підвищує їхню собівартість.

Сучасні дослідження науковців кафедри фізики металів дозволили наблизитись до вирішення описаних проблем. Зокрема, в останні роки нами було показано, що протікання екзотермічних реакцій під час виготовлення керамік дозволяє істотно його прискорити. Ми змогли створити високоякісні надвисокотемпературні кераміки з часом синтезу до 4-х хвилин при температурі 1850°С. Окрім того, виявилось, що застосування методики реакційного гарячого пресування дозволяє ввести в керамічну матрицю нанотрубки, графен, та графітові пластівці, які сприяли подвоєнню тріщиностійкості та на порядок підвищили стійкість матеріалів до термоудару.

Наразі на кафедрі тривають дослідження фізики реакційного процесу, механізмів формування нових фаз, зв’язку характеристик із структурою. Мета досліджень – створення керамічних композитів принципово нового типу, які за комплексом характеристик перевершуватимуть світові аналоги та дозволять створити нові надшвидкісні літаки, екологічні двигуни, та сонячні електростанції, які робитимуть планету безпечною та затишною. Запрошуємо науковців, аспірантів та студентів до спільних досліджень за представленою тематикою.

Синтез і дослідження шаруватих керамічних бронематеріалів

Ефективність керамічних матеріалів для створення бронепластин обумовлена (1) істотною деформацією кулі при взаємодії із надтвердим тілом, яка призводить до розподілення навантаження на більшу площу та (2) виникненням великої кількості мікротріщин, на зародження і ріст яких витрачається кінетична енергія. Проте, кераміка має низьку тріщиностійкість, що підвищує імовірність руйнування всієї пластини під час першого ж влучення.

На кафедрі фізики металів вперше застосовано реакції під час гарячого пресування для створення шаруватого керамічного композиту – своєрідної керамічної фанери – із чергуванням надтвердих та в’язких шарів. Очікується, що надтверді шари деформуватимуть кулю та сприятимуть утворенню великої кількості тріщин, а в’язкі – зупинятимуть зароджені тріщини, підвищуючи дисипацію енергії кулі та запобігаючи руйнуванню пластини. Ця розробка знаходяться на початковій стадії, тому існує безліч питань, пов’язаних як з характеристиками матеріалів, так і з фізичними механізмами формування шаруватої структури. Для розвитку даної тематики будемо раді бачити в нашій команді наполегливих дослідників, які реалізують проєкт та стануть співавторами найкращої в світі броні.

Фізика flash-синтезу сучасних матеріалів

Спікання керамічних матеріалів – це процес поступового ущільнення порошку протягом декількох годин при температурі, близькій до температури плавлення. Однак, виявляється, що пропускання електричного струму крізь такий порошок в деяких випадках дозволяє скоротити час ущільнення до декількох секунд. Фізика цього дивовижного процесу наразі невідома нікому в світі.

На кафедрі фізики металів силами та ентузіазмом студента Володимира Діброва завершується побудова приладу для дослідження flash-синтезу. Безліч дивовижних експериментів, їх глибокий фізичний аналіз та нові відкриття очікують на зацікавлених.