Конференції

27 - 30.05.2024 MSRC-2024: “Матеріалознавство тугоплавких сполук” IX міжнародна Самсонівська конференція, Київ, Україна

48. Відділ фізико-хімії і технології наноструктурної кераміки та нанокомпозитів

Завідувач відділу

Рагуля Андрій Володимирович

академік НАНУ, доктор технічних наук
a.ragulya@ipms.kyiv.ua
+380(44)205-79-06

Лабораторії

48.01. Лабораторія наноструктурованих матеріалів на основі тугоплавких сполук
48.02. Лабораторія прогресивних методів електроспікання наноструктурних матеріалів

Основні напрямки наукової діяльності

Фізика, хімія і технологія наноструктурної кераміки і нанокомпозитів.
Розробка основ процесів і технологій синтезу нанодисперсних порошків і консолідації наноструктурної конструкційної і функціональної кераміки.

Найкращі результати

2017 рік

ВИВЧЕННЯ ТЕРМОБАРИЧНОЇ І КОНЦЕНТРАЦІЙНОЇ СТАБІЛЬНОСТІ ФАЗ ТИПУ ПЕРОВСКИТУ В ПОТРІЙНИХ СИСТЕМАХ LA₂O₃-LU₂O₃(Y₂O₃)-LN₂O₃ (ДЕ LN = ER₂O₃, YB₂O₃) ДЛЯ СТВОРЕННЯ АНІЗОТРОПНИХ ТЕКСТУРОВАНИХ ЛАЗЕРНИХ МАТРИЦЬ

Вперше вивчено фазові рівноваги у потрійних системах La₂O₃-Lu₂O₃(Y₂O₃)-Ln₂O₃ (Ln = Er, Yb) при 1500 °С та подвійних системах La₂O₃-Ln₂O₃ (Ln = Er, Yb) у діапазоні температур 1100-1600 °С у всьому інтервалі концентрацій для розробки оптично прозорої лазерної кераміки на їх основі. Встановлено, що фазові рівноваги в системах на основі оксидів лантану, ітрію (лютецію), ербію, ітербію характеризуються наявністю твердих розчинів кубічної форми оксидів РЗЕ, зокрема оксиду ітрію (ізотропна кераміка), який не є люмінофором і фази типу перовскиту LaYO₃ LaErO₃, LaYbO₃ (анізотропна кераміка) ромбічної структури та залежать від відношення швидкості упорядкування проміжної фази та іонних радіусів Ln³⁺. Обидва типи твердих розчинів потрібно прецизійно легувати іонами люмінофорів (Er³⁺, Yb³⁺). Визначено, умови, що можуть бути використаними для виготовлення кераміки у рівноважному і метастабільному стані під високим тиском і у звичайних умовах. Встановлено, що тиск прискорює фазові перетворення, однак гальмує зміни наноструктури і дозволяє зберегти розмір зерен менше за ¼ довжини хвилі світла у щільної і прозорої анізотропної кераміці.

Основні виконавці: О.І.Биков, Н.І.Власко, О.А.Корнієнко, член-кор. НАН України А.В.Рагуля, О.В.Чудінович.

2016 рік

КІНЕТИЧНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ УЩІЛЬНЕННЯ І СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ АНСАМБЛІВ НАНОЧАСТИНОК В ПРОЦЕСАХ КОЛОЇДНОГО ФОРМУВАННЯ ПІД ВПЛИВОМ ЗОВНІШНІХ ПОЛІВ

Досліджено вплив електричних полів на утворення текстури товстих плівок підчас їх колоїдного формування в процесах електрофоретичного осадження, на товщину, щільність і шорсткість електрофоретичних покриттів. Осадження BaTiO₃ проводилось при напруженості електричного поля 5–100 В/см на сталевих електродах з 2%-них суспензій в суміші ацетилацетон-етанол (1:1, 1:2, 1:3), отриманих обробкою у кульовому млині протягом 24–72 год.

Встановлено, що щільність покриття BaTiO₃, із збільшенням тривалості диспергування з 24 годин до 72 годин в полярному розчині ацетил-ацетон (1:1) та при напруженості електричного поля від 20 B/см до 100 B/см збільшується з 4,3 до 4,9 відповідно.

Встановлено співвідношення R_z/R_a, що може характеризувати однорідність і рівномірність поверхні досягає мінімального значення саме при формуванні покриттів при напруженості електричного поля 20 В/см. В області 10–20 В/см співвідношення R_z/R_a→1, коефіцієнт шорсткості R_ku ~ 3 можлива округла форма агрегатів. З підвищенням Е поля співвідношення R_z/R_a>1 і R_ku > 3 форма агрегатів гострокінцева.

Лиття суспензій BaTiO₃ (2 і 33%) проводили за допомогою прямокутного 4-діапазонного аплікатора АК 11, що дає можливість отримувати плівки при зазорі 30 мкм між робочою частиною пристрою і носієм (склом розміром 5×5 см). В області малої концентрації сегнетоелектрика значення шорсткісті покриттів R_a=80 нм, a R_q=100 нм, товщина 4-6 мкм.

Встановлено, що pізний тип носія (cталь, скло) дає можливість формувати покриття BaTiO₃ з різним співвідношенням R_z/R_a, R_ku.

Синтезовано порошки MgAl₂O₄ при термообробці композитних частинок MgO-Al₂O₃-C (отриманих при піролізі ксерогелю Mg:Al: гліцин на повітрі при t = 350ºC) у обертовій печі в повітряній атмосфері (температура синтезу 750ºC, витримка 3 год.).

Проведено термічний аналіз зразків отриманого ксерогелю. Показано, що піроліз комплексу відбувається при температурі 240ºС. Втрата маси зразку в інтервалі 25 – 800ºС складає ~ 90%. В результаті рентгенофазового аналізу в зразках синтезованих порошків встановлено присутність фази алюмомагнезіальной шпінелі MgAl₂O₄.

Основні виконавці: О.Г. Жигоцький, М.М. Загорний, Умерова С.О., Дорошенко М.М.

РОЗРОБКА НАНОКОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ ПОРОШКІВ В СИСТЕМІ Ti – Zr – Al – B – N З ЗАСТОСУВАННЯМ ЕЛЕКТРОРОЗРЯДНОГО, МІКРОХВИЛЬОВОГО РЕАКЦІЙНОГО СПІКАННЯ В СЕРЕДОВИЩІ АТОМАРНОГО ВОДНЮ

Застосування композиції TiB₂-TiN в якості матеріалу ріжучого інструменту є актуальним внаслідок досить високих механічних і експлуатаційних властивостей TiB₂-TiN, а також стійкості до окислення. Відпал зразків композиції TiN-TiB₂ призводить до підвищення стійкості ріжучого інструменту з 0,05 - 2,17 до 0,25 - 4,5 хв.

Зниження швидкості нагріву і збільшення загального часу спікання сумішей з комплексної сіллю нікелю викликає значне підвищення механічних властивостей композиції TiN-TiB₂-Ni для суміші з вмістом 3 мас% Ni, завдяки довідновленню оксидів нікелю.

При синтезі композиції 35% ZrВ₂–ZrN при Т = 1800 - 1900 ºC отримана композиція ZrВ₂–ZrN без будь-яких домішок. При спіканні композиції 60-80% ZrВ₂ – ZrN при Т = 1700 - 1900 ºC отримана композиція ZrВ₂–ZrN із залишковими домішками Zr₇O₁₁N₂. Утворення в спечених композиціях 60 - 80% ZrВ₂–ZrN потрійного оксиду Zr₇O₁₁N₂ пов´язано з присутністю у вихідних сумішах бору з високим вмістом кисню (3,5 мас.%).

При синтезі композиції ZrВ₂–ZrN-TiB₂-TiN при температурі 1600 оС насамперед формуються фази ZrN_1-x і TiB₂ з невеликими домішками TiN_0,3 і ZrB₂. При 1700-1900 ° С в основному відбувається утворення фаз ZrN_1-x, TiB₂, TiB₂, Ti₃N_2-x, B₆N_0,92, ZrC, TiN_0,3.

Композити, зміцнені нановолокнами та консолідовані з використанням тиску, характеризуються високою щільністю, однорідністю структури та, у випадку використання нелінійних режимів іскро-плазмового спікання, розміром зерен менше 200 нм. Мікрохвильовим спіканням композиту TiN(20 мас.%) - нанопорошок Si₃N₄ (20мас.%) - нановолокна Si₃N₄ було отримано щільну кераміку з механічними властивостями: HV=21,2±0,5 ГПа і K_1c ~5 МПа•м^1/2.

Основні виконавці: О.С. Петухов, О.Б. Згалат-Лозинський, М.В. Замула, В.Г. Колесніченко.

КОНСОЛІДАЦІЯ НАНОСТРУКТУРНОЇ КЕРАМІКИ І НАНОКОМПОЗИТІВ З РОЗМІРОМ ЗЕРНА МЕНШЕ ЗА 50 НМ ТА ВИВЧЕННЯ РОЗМІРНОЇ ЗАЛЕЖНОСТІ ЇХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

Під час консолідації нанодисперсного порошку BaTiO₃ при швидкості нагріву 20°С/хв. на першій стадії ущільнення супрамолекулярна частина поруватості зменшується у 2 рази при сталій загальній та відкритій поруватості і до 1100 °С зберігається капілярно порувата будова зразків. При спіканні із контрольованою швидкістю нагріву вже при температурі 800°С формується більш циліндрова порувата будова зразків, а при температурі 1000°С зразки мають молекулярного розміру входи до пор.

Під час консолідації методом ІПС було встановлено, що підвищення швидкості нагрівання до 100С/хв. призводить зменшенню кінцевої щільності, що може бути пояснено перерозподілом закритої мезопористості, зливанням закритих малих пор у макропори. Зміна тиску з 60 МПа до 80 МПа не дає особливого вкладу збільшення щільності. Консолідація з контрольованою швидкістю нагріву на І та ІІ стадії ущільнення, показало, що швидкість 200С/хв на ІІ стадії дозволяє отримати щільну кераміку з розміром зерна <100 нм та з порами в потрійних стиках розміром 100 – 300 нм.

Вперше методом ІПС консолідовано чистий AlB₁₂ та композити B₄C – AlB₁₂. Масивні зразки діаметру 20 та 10 мм консолідувалися не реакційним ІПС у вакуумі з сумішей порошків B₄C і AlB₁₂ у співвідношенні: (B₄C)(1-x) мас.% + (AlB₁₂)x мас.% де x=0, 5, 10, 20, 30 і 50 мас.%. Показано, що композит складу 50 мас.% B₄C + 50 мас.% AlB₁₂ має твердість за Віккерсом 38 ГПа й тріщиностійкість 4.7 МПа.м^1/2 при навантаженні 1 кг. Отриманий реакційною консолідацією в змінній атмосфері композит складу 50мас.% (90 мас.% B4C + 10 мас.% cBN) + 50 мас.% AlB₁₂ продемонстрував твердість 37.8 ГПа при навантаженні 2 кг, і надзвичайно високу тріщиностійкість 6.67 МПа.м^1/2

Основні виконавці: Г.Ю. Бородянська, Т.Ф. Лобунець, Д.І. Барановський

ІНЖЕНЕРІЯ НАНОСТРУКТУРНИХ МАТЕРІАЛІВ: ЕНЕРГОЕФЕКТИВНІ ТЕХНОЛОГІЇ ДЛЯ ОТРИМАННЯ НОВІТНЬОЇ КЕРАМІКИ

В результаті виконаної роботи було доведено, що методи спрямованої кристалізації є одними з найбільш перспективних ресурсо- і енергозберігаючих підходів для одержання нановолокон боридів перехідних металів з високим ступенем чистоти і структурної досконалості. Одержані волокна диборидів перехідних металів (ТіВ₂, ZrВ₂) з поперечним діаметром 100-200 нм.

Проведено порівняльний аналіз енергоефективності отримання нанокомпозитів методами гарячого пресування та електророзрядного спікання. Встановлено, що витрати на електроенергію для отримання одного зразка стандартного розміру (зразок об´ємом ~ 0,5 см³) з нанопорошку нітриду титану методом ЕРС в 100 разів менші, ніж для аналогічного зразка методом ГП.

Визначено, що композити на основі нанокристалічного нітриду титану, нітриду кремнію, а також композити зміцнені нановолокнами демонструють достатньо високі механічні властивості та триботехнічні властивості (HV~23 ГПа, k_тертя ~0.25).

Досліджено умови консолідації нанопорошків тугоплавких сполук в НВЧ-полі (2,45 ГГц). Визначено особливості формування структури в нанокомпозиційних матеріалах при мікрохвильовому спіканні.

Основні виконавці: О.Б. Згалат-Лозинський, М.В. Замула, В.Г. Колесніченко.

Публікації у закордонних виданнях

1. Umerova, S., I. Dulina, A. Ragulya, T. Konstantinova (Дон. ФТІ), V. Glazunova (Дон. ФТІ) Rheology of plasticized screen printing pastes based on BaTiO₃ nanopowder // Applied Rheology. – 2016. - Vol. 3, No. 3. – P. 1 – 9.(9) +

2. Umerova, S. A. Ragulya Shear thickening of BaTiO₃ nanoparticles-filled non-Newtonian polymer suspensions // Chemistry Journals-16-633, Rheology: Open Access. – 10 p. (10 +).

3. Oleksandr Parkhomey (dep. 18), Nataliia Pinchuk (dep. 80), Olena Sych (dep. 18), Tamara Tomila, Oleksiy Kuda (dep. 18), Hanna Tovstonoh (dep. 18), Viktor Gorban´ (dep. 22), Valeriy Kolesnichenko, Yan Evych (dep. 18) Effect of particle size of starting materials on the structure and properties of biogenic hydroxyapatite/glass composites //Processing and Application of Ceramics 10 [1] (2016) 1–8 . - DOI: 10.2298/PAC1601001P (1,8) +

4. P. Badica (NIMP Romania), M. Burdusel (NIMP Romania), S. Popa (NIMP Romania), J. Pasuk (NIMP Romania), I. Ivan (NIMP Romania), H. Borodianska, O. Vasylkiv (NIMS Japan), A. Kuncser (NIMP Romania), A. Ionescu (NIMP Romania), G. Aldica (NIMP Romania), “Reactive spark plasma sintering of MgB₂ in nitrogen atmosphere for the enhancement of the high-field critical current density”, Superconductor Sci. and Techn. 29 105020 (7pp) (2016). (0,7) +

5. O. Vasylkiv (NIMS Japan), H. Borodianska, Y. Sakka (NIMS Japan), D. Demirskyi (NTU Singapore), “Flash spark plasma sintering of ultrafine yttria-stabilized zirconia ceramics”, Scripta Mater., 121 32-36 (2016). (1,25) +

6. O. Vasylkiv (NIMS Japan), D. Demirskyi (NTU Singapore), H. Borodianska, Y. Sakka (NIMS Japan) and P. Badica (NIMP Romania), “High temperature flexural strength in monolithic boron carbide ceramic obtained from two different raw powders by Spark Plasma Sintering”, J. Ceram. Soc. Japan, 124 [5] 587-592 (2016) (1,2) +

7. O. Vasylkiv (NIMS Japan), D. Demirskyi (NTU Singapore), P. Badica (NIMP Romania), T. Nishimura (NIMS Japan), A. I. Y. Tok (NTU Singapore), Y. Sakka (NIMS Japan), H. Borodianska, “Room and high temperature flexural failure of spark plasma sintered boron carbide”, Ceramics International, 42 7001-7013 (2016). (1,9) +

8. Zgalat-Lozynskyy O.B. Ragulya A.V Densification Kinetics and Structural Evolution During Microwave and Pressureless Sintering of 15 nm Titanium Nitride Powder// Nanoscale Research Letters 11(1) • February 2016. - P. 1-9 DOI: 10.1186/s11671-016-1316-x. (9) +

Опубліковані тези

1. Дорошенко М.М. Низькотемпературний синтез нанопорошків алюмомагнезіальної шпінелі з використанням прекурсорів на основі органічних лігандів // Сб. тез: Материали V Наукової конференції «Нанорозмірні системи: будова, властивості, технології». – Україна. – Київ. – 1 – 2 грудня 2016 г. – С. 157. (1)

2. Zamula M.V., Kolesnichenko V.G., Zgalat-Lozynskyy O.B., Ragulya A.V. Derevyanko O.V. (відд.24) Spark plasma sintering: energy efficient technology for consolidation of novel ceramics// Abstract book of International research and practice conference “Nanotechnology and nanomaterials”. – Lviv, Ukraine: Eurosvit, 2016. - P. 283 (0,8)

3. Kolesnichenko V.G., Zgalat-Lozynskyy O.B., Tischenko N.I., Ragulya A.V., (Varchenko V.T.(відд.5), Anderzejczuk M.(WUT,Польща)) Tribological behavior of Si₃N₄-based nanocomposites//Abstract book of International research and practice conference “Nanotechnology and nanomaterials”. – Lviv, Ukraine: Eurosvit, 2016. - P. 116 (1)

4. Zgalat-Lozynskyy O.B. Ragulya A.V (Anderzejczuk M.(WUT,Польща), M.Herrmann (IKTS, Німеччина) Features of grain growth and grain boundary formation under microwave and spark plasma sintering conditions// Abstract book of Conference: Electric field assisted sintering and related phenomena far from equilibrium, Portugal, 2016 -P. 73. (1)

5. Sych O. (dep. 18), Iatsenko A. (КРІ), Tovstonoh H. (dep. 18), Tomila T., Yevych Ya. (dep. 18), Effect of fluorine addition on the structure and properties of highly porous glass-ceramics for biomedical application // E-MRS 2016 Fall Meeting. Warsaw, Poland, Sep. 19-22 2016. – Warsaw, Poland, 2016. – Symposium ZU. - P. 86. (0,2)

6. Лобунец, Т.Ф., Томила Т.В , Котлярчук А.В., Широков А.В. Рагуля А.В. Структурные особенности титаната бария в процессе синтеза из титанил пероксида бария // ФТТ-2016 АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА, сборник докладов Международной научной конференции 22 – 25 ноября 2016 г., Минск Том 3, С. 232-234 (3)

7. Томила Т.В., Сыч Е.Е. (від.18), Яценко А.П. (КПІ), Товстоног А.Б. (від.18) Влияние структурных образований на биологическую активность высокопористых силикофосфатных композиционных материалов //НАНО-2016, Беларусь-Россия-Украина, материалы V Международной конференции 22 – 25 ноября 2016 г., Минск, . – С.236-239.(1)

8. Томила Т.В., Размерный эффект в процессах синтеза нанопорошков карбида кремния V-я международная самсоновская конференция «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ И КОМПОЗИТОВ» 24 – 25 мая 2016 г. Киев, Украина, труды конференции, с. 63. (1)

9. D. I. Baranovskyi, T. F. Lobunets, A. V. Ragulya Study of the supramolecular structure of samples based on the BaTiO₃ nanopowder during sintering. Scientific Journal «Proceeding of the International Conference Nanomaterials: Application & Properties», Volume 5, №1 – 01NNPT06 – 2 p. – Lviv, – 2016. (2)

10. Загорний М.М., Кузьма О.В. (НТУУ «КПІ»). Аналіз впливів взаємодій у дисперсній фазі нанопорошку BaTiO₃ на реологічні характеристики суспензій // XVII Международная конференция им. М. Кравчука. Дифференциальные и интегральные уравнения, их применение Сборник, Киев, 2016, I, C.112-115. (2)

11. Andrey Ragulya, Invited talk “Reaction SPS as an instrument for grain growth control in nanoceramics.” 6th International Congress on Ceramics August 21-25, 2016, Dresden, Germany. (1)

12. Ievgen Solodkyi (КПІ), Dmytro Demirskyi (NTU Singapore),, Hanna Borodianska, Yoshio Sakka, Oleg Vasylkiv “Hardness and toughness control of ´ brittle´ boron suboxide ceramics by consolidation of star-like particles using spark plasma sintering.” 6th International Congress on Ceramics August 21-25, 2016, Dresden, Germany. (0,2)

13. Dmytro Demirskyi (NTU Singapore), Hanna Borodianska, Yoshio Sakka (NIMS Japan), Oleg Vasylkiv (NIMS Japan) “Scaling up during SPS of high temperature ceramics. ” 6th International Congress on Ceramics August 21-25, 2016, Dresden, Germany. (0,25)

14. Dmytro Demirskyi (NTU Singapore), Hanna Borodianska, Yoshio Sakka (NIMS Japan), Oleg Vasylkiv (NIMS Japan) “Engineering of lightweight ceramic composites by spark plasma sintering.” Electric Field Assisted Sintering and Related Phenomena Far From Equilibrium March 6-11, 2016 Tomar, Portugal. (0,25)

15. Dmytro Demirskyi (NTU Singapore), Hanna Borodianska, Yoshio Sakka (NIMS Japan), Oleg Vasylkiv (NIMS Japan) “Growing larger: Scaling up during spark plasma sintering of high temperature ceramics.” Electric Field Assisted Sintering and Related Phenomena Far From Equilibrium, March 6-11, 2016, Tomar, Portugal. (0,25)

16. Andrey Ragulya Spark-plasma sintering for ceramic matrix nanocomposites based on high melting compounds, ARCI Invited lecture, Hyderabad, 2016 (1)

17. Рагуля А.В., Петухов А.С. , Особенности формирования наноструктурной керамики в скоростных процессах спекания под действием электрического тока //НАНО-2016, Беларусь-Россия-Украина, материалы V Международной конференции 22 – 25 ноября 2016 г., Минск, . – С.32 (1)

18. А. С. Петухов, И. В. Хобта, О. О. Васылькив (NIMS Japan), Й. Сакка (NIMS Japan), А. В. Рагуля, А.В. Деревянко. Исследование процессов электроразрядного спекания нанокомпозиций TiB₂ -TiN и характеристика их свойств. //V Наукова конференція "Нанорозмірні системи: будова, властивості, технології.- Київ, 1-2 грудня 2016р. - С.160. (0,5)

19. Umerova, S.O. Plasticized screen printing pastes based on BaTiO₃ nanopowder / S.O. Umerova, A.V. Ragulya // VI Всероссийская научная конференция (с международным участием) «Физикохимия процессов переработки полимеров», 03 - 07 октября 2016 г, г. Иваново, Россия. Сборник трудов конференции. - C. 92. (1)

20. Жигоцький О.Г., М.M. Загорний, В.І. Підсосонний, А.А. Іванчук, С.А. Умерова, А.В. Рагуля Формування електрофоретичних покриттів на основі порошку BaTiO₃ / О.Г. // Девятая международная конференция «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий» 15-19 августа 2016 г. Коблево (Николаевская обл.), Украина. (0,67)

21. Shishkina, Yu. Bagliuk, A. Kostenko, S. Umerova Surface roughness evaluation of aluminum matrix composites after dry sliding wear tests // Proceedings of XIII International Scientific congress, 16 – 19.03.16, Borovets, Bulgaria. – Р. 64 – 66. (0,25)

Державна премія України в галузі науки і техніки 2015 року «Сучасні технології синтезу нанодисперсних порошків для матеріалів та виробів конструкційного, функціонального і біомедичного призначення»

Член кореспондент Рагуля А.В. д.т.н. І.В. Уварова, д.т.н. О.О. Васильків, д.х.н. Л.М. Куліков, к.т.н. О.А. Іващенко (ІПМ НАН України),
д.ф.м.н. Р.П. Притула (Інститут монокристалів НАН України),
член кореспондент Ю.В. Малюкін, к.ф.м.н. А.А. Масалов (ІСМА НАН України),
д.ф.м.н. Т.Є. Константинова, І.О. Даниленко (Донецький ФТІ НАН України)