«Космическую» керамику впервые удалось синтезировать на открытом воздухе
Исследователи Томского политехнического университета впервые получили образцы сверхтвердых материалов нового класса оригинальным методом. Высокоэнтропийные бориды были синтезированы на открытом воздухе с применением разработанного в ТПУ дугового реактора. Свойства полученных образцов сопоставимы с материалами, созданными альтернативными, более дорогостоящими методами. В будущем безвакуумный электродуговой метод может стать перспективным подходом к разработке материалов для металлургии, машиностроения и аэрокосмической отрасли.
Результаты исследования опубликованы в International Journal of Refractory Metals and Hard Materials (Q1, IF: 4.6) и поддержаны грантом РНФ (№ 25-19-00390).
Высокоэнтропийные бориды – это соединения, содержащие одновременно четыре или более основных металлических компонентов, а также бор. Это новый класс сверхвысокотемпературной керамики, представляющий интерес из-за высоких температур плавления (более 3000 °C). Кроме того, материалы на основе высокоэнтропийных боридов отличаются повышенной твердостью, стойкостью к коррозии и окислению. Все это делает их перспективными для использования, например, в металлургии, машиностроении, аэрокосмической и других отраслях промышленности.
Два основных известных метода получения высокоэнтропийных боридов – борокарботермическое восстановление и самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) с последующим искровым плазменным спеканием или горячим прессованием – имеют ряд существенных недостатков. Во-первых, это дорогостоящий процесс, требующий использования специального оборудования и происходящий только в условиях, как минимум, высоких температур и инертных сред, а в ряде случаев и высоких давлений. Во-вторых, все условия и свойства материалов, необходимые для синтеза, еще до конца не изучены. Кроме того, для реализации ряда процессов требуется особое исходное сырье. В настоящее время нигде в мире не налажено производство ни одного из известных высокоэнтропийных боридов.
По словам ученых, перспективными для синтеза боридов, в том числе многокомпонентных, могут быть электродуговые методы. Дуговой разряд позволяет достичь чрезвычайно высоких температур в течение короткого интервала времени. Кроме того, для синтеза используется коммерчески доступное, распространенное оборудование.
Коллектив лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли Инженерной школы энергетики ТПУ развивает оригинальный подход к получению керамических материалов – безвакуумный электродуговой метод синтеза. Он позволяет с помощью дугового разряда постоянного тока на открытом воздухе, без использования специального вакуумного и газового оборудования синтезировать бескислородную керамику. Такой подход существенно упрощает процесс синтеза, снижает энергопотребление и повышает общую производительность. Ранее метод уже продемонстрировал свою эффективность в задачах синтеза различных карбидов металлов.
«Один из известных высокоэнтропийных боридов впервые был получен безвакуумным электродуговым методом. В рамках данного исследования была проведена серия экспериментов, позволивших определить рекомендуемые условия для синтеза высокоэнтропийного борида на основе металлических порошков титана, циркония, ниобия, гафния, тантала и аморфного бора и отработать методику. В отличие от предыдущих исследований, использовался трехфазный дуговой реактор повышенной электрической мощности, способный переработать увеличенные объемы сырья. Были проанализированы состав, структура и морфология полученных порошков. Затем на их основе методом искрового плазменного спекания были изготовлены объемные образцы сверхвысокотемпературной керамики. Этот позитивный опыт открывает возможности реализации синтеза всех известных и гипотетических высокоэнтропийных боридов», – говорит заведующий лабораторией перспективных материалов энергетической отрасли Александр Пак.
В результате политехникам удалось выявить рабочие параметры (сила тока и время поддержания дуги), необходимые для синтеза порошков. Наилучшие воспроизводимые результаты были получены при силе тока в 200 А и времени горения дуги в 90 секунд. Также были оценены характеристики – твердость, относительная плотность, теплофизические свойства – объемных образцов.
«Полученные нами результаты свидетельствуют о том, что порошки высокоэнтропийных боридов, полученные безвакуумным электродуговым методом, могут быть эффективно использованы для искрового плазменного спекания объемных образцов керамики, обладающих твердостью, сопоставимой с характеристиками образцов, спеченных в аналогичных условиях из порошков, полученных альтернативными методами. А в некоторых случаях твердость полученных нами образцов даже выше, чем аналогичных материалов, описанных в литературных источниках», – добавляет младший научный сотрудник лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли Арина Свинухова.
Разработанный политехниками метод пригоден для быстрого тестирования гипотез о возможности синтеза того или иного высокоэнтропийного борида. В дальнейших планах ученых – продолжить работу по синтезу известных и новых, гипотетически предсказанных высокоэнтропийных боридов различного состава.
Источник информации и фото: пресс-служба Томского политехнического университета
Разместила: Ирина Усик