name: Закономерности и характеристики процессов получения керамических материалов на основе карбидов в условиях воздействия атмосферной электродуговой плазмы
keyword_list: плазма дугового разряда бескислородная керамика эффект самоэкранирования карбиды металлов и неметаллов высокоэнтропийный карбид
abstract: Работа выполнена в НИЦ «Экоэнергетика 4.0» ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет». Научный консультант: д.ф.-м.н. Г.Я. Мамонтов, официальные оппоненты: д.т.н. Г.А. Прибытков, д.т.н. А.И. Логачёва, д.ф.-м.н. В.А. Старенченко.
  Целью работы являлась разработка научных основ безвакуумного метода и оборудования для получения материалов на основе карбидов различного химического состава и установление закономерностей процессов карбидообразования, происходящих при горении дугового разряда постоянного тока в открытой воздушной среде.
  В работе разработан подход к плазменной электродуговой обработке сырья различного химического состава и происхождения (в том числе отходов), отличающийся от известных реализацией в открытой воздушной среде с достижением условий подавления окислительных реакций, который лег в основу нового научного направления: синтеза бескислородной керамики воздействием плазмы дугового разряда в воздушной (окислительной) среде. Установлено, что при горении дугового разряда постоянного тока в открытой воздушной среде с использованием графитовых электродов формируется автономная газовая среда, состоящая из газов СО и СО2, которая обеспечивает самоэкранирование реакционного объема от кислорода воздуха, что в свою очередь позволяет подавить окислительные процессы и сдвинуть направление движения реакций в сторону карбидообразования. Установлено, что эффект самоэкранирования реакционного объема достигается совокупностью геометрических параметров графитовых электродов разрядного контура (высота стенок полого катода, выполненного в форме тигля, - не менее 30 мм при диаметре до 22 мм) и его режимов (сила тока от 50 А до 220 А, продолжительность горения дуги от 10 секунд до 45 секунд), которые послужили основой создания безвакуумного электродугового метода и группы плазменных реакторов для синтеза карбидов металлов и неметаллов. Реализованы метод и группа устройств, которые обеспечивают повышенную энергоэффективность процессов синтеза порошковых керамических материалов, снижая энергоемкость процесса на порядок за счет отказа от вакуумно-газовой системы, а также снижая массовые и габаритные показатели плазменного реактора в 2-3 раза. Исследованы физико-химические процессы, протекающие при горении дугового разряда постоянного тока в воздушной среде. Экспериментально показана возможность синтеза карбида вольфрама из вольфрамового рудного концентрата, минуя стадии его обогащения и восстановления до металлического вольфрама, что позволяет несмотря на наличие примесных фаз, реализовать высокоэффективный синтез порошка на основе карбида вольфрама предложенным безвакуумным электродуговым методом с использованием разработанного оборудования. Экспериментально показана возможность использования пиролизированных отходов деревообрабатывающего производства для синтеза карбидов титана и кремния, вовлекая в технологический цикл возобновляемый источник углерода. Установлено, что в ходе процесса горения дугового разряда постоянного тока в воздушной среде обеспечиваются условия для карботермического восстановления оксидных фаз в составе золошлаковых отходов, что позволило реализовать процесс получения материала на основе карбида кремния, совмещенного с утилизацией промышленных отходов. Предложенные метод и группа электродуговых устройств позволяют вести синтез карбидов металлов и неметаллов, в том числе смесевых высокоэнтропийных карбидов и биоморфных карбидов в кратковременном рабочем цикле (до 45 секунд) при относительно невысокой мощности (плотность потока энергии до 29 Вт/мм2), обеспечиваемой силой тока до 220 А, в процессе горения дугового разряда постоянного тока в открытой воздушной среде, то есть без применения специализированных вакуумно-газовых систем; таким образом, предложенный метод и разработанные плазменные реакторы позволяют вести отработку режимов электродугового синтеза как известных так и гипотетических (предсказанных) материалов с использованием широкого спектра исходных смесей различного происхождения.
  Личный вклад автора состоит в формулировании научной проблемы, поставке цели, задач исследования, проведении серии экспериментов, обработке экспериментальных данных, проведении анализов полученных результатов, формулировании значимых научных положений и выводов, написании всех публикаций, представлении результатов исследований на научных конференциях; лично сформулировал основные принципы безвакуумного электродугового метода, лично подготовил основные части заявок на изобретения, в частности выполненные без соавторов. 
  Значимые публикации:
  В изданиях, индексируемых в базах данных Scopus или Web of Science
  1. A.Ya. Pak. Synthesis of transition metal carbides and high-entropy carbide TiZrNbHfTaC5 in self-shielding DC arc discharge plasma / A.Ya. Pak, P.S. Grinchuk, A.A. Gumovskaya, Yu.Z. Vassilyeva // Ceramics International. – 2022. V. 48 (3). – Р. 3818–3825. 
  2. Pak A.Y. Production of HfTaTiNbZrC5 High-Entropy Carbide Micropowder in the Plasma of an Atmospheric Pressure Arc Discharge / A.Y. Pak, P.S. Grinchuk, G.Y. Mamontov, T.Y. Yakich, A.A. Gumovskaya // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. – 2021. – V. 94. - P. 88–94. 
  3. A.Ya. Pak. A novel approach of waste tires rubber utilization via ambient air direct current arc discharge plasma / A.Ya. Pak, K.B. Larionov, E.N. Kolobova, K.V. Slyusarskiy, J. Bolatova, S.A. Yankovsky, V.O. Stoyanovskii, Yu.Z. Vassilyeva, V.E. Gubin // Fuel Processing Technology. – 2022. – V. 227. - No. 107111. 
  4. Pak A.Y. Synthesis of molybdenum carbide catalyst by DC arc plasma in ambient air for hydrogen evolution // Y.Z. Vassilyeva, D.S. Butenko, S. Li, W. Han, A.Y. Pak // Materials Chemistry and Physics. – 2020. – V. 254. – No. 123509. 
  5. Pak A.Y. Advanced Arc Plasma Synthesis of Biomorphic Silicon Carbide Using Charcoal and Silicon Dioxide in Air / A.Y. Pak, K.B. Larionov, A.P. Korchagina, T.Yu. Yakich, S.A. Yankovsky, V.E. Gubin, K.V. Slyusarskiy, A.A. Gromov // Waste Biomass Valorization. – 2021. – V. 49. – № 3. – P. 320–324. 
  6. Pak A.Y. Ash Waste Utilization via Direct Current Arc Plasma with Production of SiC and AlN / A.Y. Pak, G.V. Mamontov, K.V. Slyusarskiy, K.B. Larionov, S.A. Yankovsky, D.V. Gvozdyakov, V.E. Gubin, R.S. Martynov // Waste and Biomass Valorization. – 2021. – V. 61. – No. 12. – P. 1862–1865. 
  7. Pak A.Y. Effect of Energy on the Phase Composition of the Product of Arc Discharge Synthesis in the Tungsten–Carbon System Obtained in a Self-Shielding Autonomous Gas Environment / A.Y. Pak, A.I. Kokorina // Inorganic Materials: Applied Research. – 2021. – V.12. - No. 2. – P. 544–550. 
  8. Pak A.Ya. Electric arc synthesis of tungsten carbide from ore concentrates / A.Ya. Pak, T.Yu. Yakich, A.I. Kokorina // Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, Geo Assets Engineering. – 2021. – V. 332. – No. 5. – P. 170–178. 
  9. Pak A.Y. Vacuumless synthesis of tungsten carbide in a self-shielding atmospheric plasma of DC arc discharge / A.Y. Pak, I.I. Shanenkov, G.Y. Mamontov, A.I. Kokorina // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2020. – V. 93. – No. 105343. – P. 1-7. 
  10. Pak A.Y. Obtaining Silicon-Carbide-Based Ceramics from Ash and Slag Wastes / A.Y. Pak, V.E. Gubin, G.Y. Mamontov // Technical Physics Letters. – 2020. – V. 46. – No. 7. – P. 695–698. 
  11. Pak A. Cubic SiC nanowire synthesis by DC arc discharge under ambient air conditions / A. Pak, A. Ivashutenko, A. Zakharova, Y. Vassilyeva // Surface and Coatings Technology. – 2020. – V. 387. – No. 125554. 
  12. Pak A.Y. Obtaining Titanium Carbide in an Atmospheric Electric Discharge Plasma / A.Y. Pak, T.Y. Yakich, G.Y. Mamontov, M.A. Rudmin, Y.Z. Vasil’eva // Technical Physics. – 2020. – V. 65. – No. 5. – P. 771–776. 
  13. Pak A.Y. Influence of energy on the phase composition of the ultra-dispersed product of the molybdenum–carbon system obtained by the vacuumless arc discharge method / A.Y. Pak, P.N. Kononenko // High Temperature Material Processes. – 2020. – V. 24. – No. 1. – P. 61–64. 
  14. Pak А.Ya. Synthesis of Crystalline Tungsten Carbide Phases under the Influence of Atmospheric Electrical Arc Plasma on Tungsten Oxide / A.Ya. Pak, T.Yu. Yakich, A.I. Kokorina, E.B. Akimova // Journal of Superhard Materials. – 2021. – Vol. 43. – No. 3. – P. 191–197. 
  15. Pak A.Y. Arc discharge synthesis of material based on graphite and molybdenum carbide / A.Y. Pak, P.N. Kononenko// Nanotechnologies in Russia. – 2019. – V. 14. – No. 11-12. – P. 551–556. 
  16. Pak A.Y. Synthesis of tungsten carbide-filled multiwalled carbon nanotubes by dc arc discharge plasma in ambient air / A.Y. Pak, Y.Z. Vassilyeva // Nanotechnologies in Russia. – 2019. – V. 14. – No. 11-12. – P. 531–535. 
  17. Pak A.Y. Obtaining a Material Based on β-SiC and Carbon Fibers Using an Electric Arc Technique / A.Y. Pak, A.S. Ivashutenko, A.A. Zakharova, O.A. Bolotnikova // Inorganic Materials: Applied Research. – 2019. – V. 10. – No. 4. – P. 836–840. 
  18. Pak A.Y. The Possibility of Synthesizing Nanosize Molybdenum Carbide in Atmospheric Electrodischarge Plasma // Technical Physics Letters. – 2019. – V. 45. – No. 9. – P. 866-869. 
  19. Pak A.Y. Boron Carbide Synthesis in Low-Voltage DC Electric Arc Initiated in Open Air / A.Y. Pak, G.Y. Mamontov // Technical Physics Letters. – 2018. – V. 44. – No. 7. – P. 615-617. 
  20. Pak A.Y. Electroarc Synthesis and Cleaning from Carbon Impurities of Cubic Silicon Carbide in the Air Atmosphere / A.Y. Pak, M.A. Rudmin, G.Y. Mamontov, O.A. Bolotnikova // Journal of Superhard Materials. – 2018. – V. 40. – No. 3. – P. 157-163. 
  В российских изданиях, рекомендуемых ВАК РФ 
  21. Пак А.Я. О распределении фазового состава продукта электродугового синтеза системы "кремний-углерод" по поверхности катода / А.Я. Пак, Г.Я. Мамонтов, О.А. Болотникова // Вестник современных технологий. – 2019. – V. 4. – № 16. – С. 31-35. 
  22. Пак А.Я. Получение металломатричного композита Al/SiC на основе кубического карбида кремния, синтезированного в атмосферной электроразрядной плазме / А.Я. Пак, М.С. Тукеева, А.А. Цуприянчик, О.А. Болотникова // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2018. – Т. 61. - № 8-2 (728). – С. 113-117. 
  23. Пак А.Я. Визуально-когнитивный анализ многомерных данных для характеристики металломатричных композитов AL/SIC / А.Я. Пак, А.А. Захарова, А.В. Шкляр, Т.А. Пак // Светотехника. – 2018. – № 6. – С. 58-65. 
  24. Пак А.Я. Влияние энергии на фазовый состав продукта безвакуумного электродугового синтеза кубического карбида кремния / А.Я. Пак, Г.Я. Мамонтов, О.А. Болотникова // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. – 2018. – Т. 19. – № 2. – С. 165-176. 
  25. Пак А.Я. Синтез карбида молибдена в самоэкранирующейся электродуговой плазме / А.Я. Пак, Ю.З. Васильева // Материаловедение. Энергетика. – 2021. – Т. 27. – № 2. – С. 62-72. 
  Патенты и свидетельства регистрации программ ЭВМ 
  26. Патент РФ № 2731094. Способ получения порошка, содержащего однофазный высокоэнтропийный карбид состава Ti-Nb-Zr-Hf-Ta-C: заявл. 09.10.2020, опубл. 19.04.2021 / А.Я. Пак, Г.Я. Мамонтов, П.С. Гринчук. - 13 с. 
  27. Патент РФ № 2731094. Способ получения порошка, содержащего карбид кремния и нитрид алюминия из золы природного угля: заявл. 20.03.2020, опубл. 28.08.2020 / А.Я. Пак, Г.Я. Мамонтов, В.Е. Губин, Ю.З. Васильева. - 4 с. 
  28. Патент РФ № 2687423. Способ получения порошка на основе карбида титана: заявл. 26.09.2018, опубл. 13.05.2019 / А.Я. Пак. - 9 с. 
  29. Патент РФ № 2686897. Устройство для получения порошка на основе карбида титана: заявл. 24.08.2018, опубл. 06.05.2019/ А.Я. Пак. – 7 с. 
  30. Патент РФ № 2716694. Устройство для получения порошка, содержащего карбид молибдена: заявл. 24.05.2019, опубл. 13.03. 2020/ А.Я. Пак. – 9 с. 
  31. Патент РФ № 2700596. Устройство для получения порошка на основе карбида бора: заявл. 19.04.2019, опубл. 18.09.2019/ Р.С Мартынов., А.Я. Пак, Г.Я. Мамонтов. – 9 с. 
  32. Патент РФ № 191334. Устройство для получения порошка на основе карбида вольфрама: заявл. 19.04.2019, опубл. 01.08.2019/ А.Я. Пак, Ю.З. Васильева. - 9 с. 
  33. Управление системой позиционирования электродов дугового плазмохимического реактора постоянного тока / А.Я. Пак, Р.Д. Герасимов // Номер регистрации (свидетельства) 2018664326, дата регистрации 14.11.2018. 
  34. Управление и мониторинг режимов работы дугового плазмохимического реактора постоянного тока / А.Я. Пак, Р.Д. Герасимов, О.А. Болотникова // Номер регистрации (свидетельства) 2018663270, дата регистрации 16.12.2018. 
  35. Управление и мониторинг параметров рабочего цикла двухосевого электродугового реактора в автоматическом и ручном режимах / Р.Д. Герасимов, Ю.З. Васильева, А.Я. Пак // Номер регистрации (свидетельства) 2021661866, дата заявления 29.07.2021.
chairman_dissertation_council.name: Валерий
chairman_dissertation_council.surname: Кривобоков
chairman_dissertation_council.patronymic: Павлович
chairman_dissertation_council.position: Руководитель НОЦ Б.П. Вейнберга
chairman_dissertation_council.degree: Доктор физико-математических наук
chairman_dissertation_council.rank: Профессор
chairman_dissertation_council.wos_research_id: AAD-6184-2019
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 6603439351
chairman_dissertation_council.rinc_id: 20307
chairman_dissertation_council.url: https://portal.tpu.ru/SHARED/k/KRIVOBOKOV
chairman_dissertation_council.orcid: 0000-0003-0569-3291
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Леонид
organization_supervisor.surname: Сухих
organization_supervisor.patronymic: Григорьевич
organization_supervisor.position: Проректор по науке и трансферу технологий
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 29.19.11
rubrics.name: Дефекты кристаллической структуры
rubrics.code: 29.19.05
rubrics.name: Химическая связь и кристаллические поля
rubrics.code: 29.19.04
rubrics.name: Структура твердых тел
oecds.code: 01.03.UK
oecds.name: PHYSICS, CONDENSED MATTER
speciality_codes.name: Физика конденсированного состояния
speciality_codes.code: 1.3.8.
supervisors.fio: Мамонтов Г.Я
supervisors.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
supervisors.speciality_code: Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Прибытков Г.А.
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Физика конденсированного состояния
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Логачёва А.И.
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Физика конденсированного состояния
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Старенченко В.А.
opponents.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
opponents.speciality_code: Физика конденсированного состояния
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: ФГАОУ ВО НИ ТПУ, ТПУ, НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
protection_organization.ogrn: 1027000890168
protection_organization.supervisor_name: ДМИТРИЙ
protection_organization.supervisor_surname: СЕДНЕВ
protection_organization.supervisor_patronymic: АНДРЕЕВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные автономные учреждения
author_organization.short_name: ФГАОУ ВО НИ ТПУ, ТПУ, НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
author_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
author_organization.ogrn: 1027000890168
author_organization.supervisor_name: ДМИТРИЙ
author_organization.supervisor_surname: СЕДНЕВ
author_organization.supervisor_patronymic: АНДРЕЕВИЧ
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные автономные учреждения