К настоящему времени получены следующие научные результаты. С помощью вертикальной индукционной печи при температурах 1573-1773оС были синтезированы многостенные BN нанотрубки и наносферы с внешним диаметром от 5 до 200 нм в количестве до 1 г на один эксперимент. Впервые были исследованы механические свойства индивидуальных ультратонких нанотрубок BN непосредственно в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) высокого разрешения (in-situ) с использованием специальных микроманипуляторов. Показано, что при внешнем диаметре 10 нм или менее, нанотрубки обладают исключительно высокой прочностью (порядка 1.2 ГПа) на сжатие и изгиб. Анализ кривых нагружение-деформация показал, что нанотрубки способны накапливать/поглощать энергию деформации порядка 400´106 Дж м-3, что на два порядка превосходит возможности стандартных углеродных нанотрубок. Испытания на растяжения трубок BN большего диаметра (до 100 нм) показали, что они обладают исключительно высокой прочностью на растяжение, достигающей ~35 ГПа, что почти в 50 раз выше, чем значения у высокопрочной стали. Это делает нанотрубки BN перспективным материалом для упрочнения металлических и керамических материалов. Используя горизонтальную электрическую печь были получены нанолисты BN на кремниевых подложках. Эти тонкие слои BN обладают супергидрофобными свойствами, что позволяет их использовать в качестве оптически-прозрачных самоочищающихся покрытий.

 

Методами ионной имплантации и магнетронного распыления были получены нанокомпозиционные материалы Al/BN нанотрубки. Методами ПЭМ и Рамановской спектроскопии было показано, что ионная имплантация приводит к частичной аморфизации внешних слоев нанотрубок. Путем оптимизации энергетических режимов ионной имплантации Al, были получены нанотрубки BN, равномерно покрытые слоем алюминия. В случае магнетронного распыления, структурные исследования, проведенные методами ПЭМ и СЭМ, показали, что толщина слоя металла на отдельной нанотрубке составляла 10-300 нм.

 

Алюминиевые покрытия в композитах полученных методом магнетронного распыления имели нанокристаллическую морфологию с разориентированными зернами. Механические свойства этих нанокомпозитов исследовали в тестах на изгиб и растяжение in-situ непосредственно в электронном микроскопе. Полученные результаты показали, что по сравнению с образцами из чистого алюминия, механические характеристики нанокомпозиционного материала Al/BN значительно улучшаются. В зависимости от толщины слоя Al прочность композита на растяжение возрастает до 360-1400 MПa по сравнению с 30 MПa у чистого Al. 

 

Важную роль в проекте сыграло получения методом спиннингования из расплава микрокомпозитов Al длиной до 1 м, шириной 4-5 мм и толщиной в 50 мкм, армированных нанотрубками и наночастицами BN. Выполнены  многочисленные эксперименты по оптимизации технологических режимов, а также исследованы свойства композитов на растяжение при комнатной температуре. Полученные материалы обладали пределом прочности 145 МПа, что в 2.5 раза выше, чем у лент из чистого алюминия, полученных при таких же условиях. Показано, что положительный эффект от армирования лент Al нанотрубками BN превосходит таковой в случае использования наночастиц BN. Выполнен структурный анализ процесса разрушения лент методами СЭМ и АСМ. Проведенный микроскопический анализ выявил ряд важных особенностей: (1) нанотрубки распределены случайным образом в микрокомпозитах; (2) никаких других фаз, кроме чистого Al и хорошо сохранившихся многостенных нанотрубок или микрочастиц нитрида бора в полученных лентах нет; (3) физическая адгезия нанотрубок с алюминием достаточно высока, что предотвращает полный отрыв нанотрубок от металлической матрицы при растяжении; (4) нанотрубки, по крайней мере частично, принимают на себя растягивающие нагрузки.

 

Проведено сравнение экспериментальных результатов с существующей теорией. Проведенное ab initio моделирование взаимодействия Al с нанотрубками BN показало, что связи на границе раздела фаз для идеальных структур Al и BN слабы и регулируется Ван-дер-Ваальсовскими взаимодействиями. Критическое напряжение сдвига для подобных систем  является низким и сравнимо с данной величиной для графита, однако точечные дефекты на границе раздела должны привести к существенному увеличению критического напряжения сдвига до 1 ГПa. Степень увеличения этой характеристики зависит от концентрации дефектов.

 

Методом внутреннего трения в широком диапазоне температур 80-800оК были изучены процессы рассеяния энергии в композиционных материалах, полученных методом спиннингования из расплава. Показано, что упрочнение металлической матрицы нанотрубками BN связано с образованием дислокаций на границах раздела Al/BN вследствие термических напряжений, а также конкурентно протекающими процессами накопления и релаксации дефектов в процессе термоциклирования, причем в случае использования нанотрубок, процесс накопления дефектов протекает более интенсивно по сравнению с наночастицами, что увеличивает вязкую составляющую деформации при высокой температуре.

 

Композиты Al/BNNT с различной весовой долей нанотрубок BN также были получены методами порошковой металлургии. Для получения композиционных материалов было использовано три различных метода: (1) стандартный метод порошковой металлургии (прессование и спекание), (2) метод искрового плазменного синтеза (ИПС) и (3) метод скручивания под высоким давлением (СВД). Максимальное увеличение твердости и прочности на растяжение было получено при использовании метода СВД благодаря особой структуре и уменьшению остаточной пористости материала вследствие приложения высокого давления в условиях комплексной деформации на сжатие и сдвиг. Образцы на основе алюминия, содержащие 3 вес.% нанотрубок BN, продемонстрировали прочность на растяжение порядка 350 МПа. Эта величина уже сравнима с некоторыми видами конструкционных сталей, например А36, у которых прочность на растяжение составляет 400 МПа, однако полученные композиционные материалы армированные нанотрубками BN более чем в 3 раза легче (плотность, соответственно 7.85 и 2.5 г/см3). Таким образом, наши результаты открывают новые горизонты в области получения новых видов конструкционных материалов, оптимизации их структуры и свойств и дальнейшей коммерциализации.

 

Также на металлических подложках были получены нанопластины неорганического состава, а именно дихалькогенида MoS2. Их структура изучалась методом просвечивающей электронной микроскопии с коррекцией аберрации. Впервые удалось наблюдать отслаивание 1, 2 и 3 атомных слоев непосредственно в электронном микроскопе. Были выполнены сравнительные экспериментальные и теоретические исследования по химическому раскрытию многослойных нанотрубок WS2 при интеркаляции литием и молекулами октантиола-1. Путем измерения электрических свойств в просвечивающем электронном микроскопе in-situ было показано, что атомарно-тонкие пластины WS2 являются проводящими. Расширение нанотрубок было описано в рамках теории упругих оболочек с параметрами, полученными на основе расчетов из первых принципов. Было показано что внедрение молекул октантиола-1 между слоями нанотрубки происходит из-за взаимодействия с интеркалированными ионами лития Li+. Результаты ab initio расчётов показали, что энергии, выделенной при таком взаимодействии, достаточно для расширения нанотрубки до критического радиуса, при котором она раскрывается в наноленту. Результаты теоретического исследования подтверждают и объясняют полученные экспериментальные данные.