Исследователи Томского политехнического университета в условиях открытого воздуха синтезировали сверхвысокотемпературную керамику, которая может быть использована в аэрокосмической сфере, ядерной энергетике и производстве режущих инструментов.
По словам ученых, это стало возможным благодаря применению нового метода. Результаты были опубликованы в International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.
Высокоэнтропийные бориды представляют собой соединения металлов с бором, относящиеся к классу сверхвысокотемпературной керамики, активно исследуемые за последние десять лет. Материалы на основе боридов способны выдерживать температуры свыше 3000 градусов и отличаются высокой твердостью, устойчивостью к коррозии и окислению. Эти характеристики позволяют изготавливать из них детали для высокотемпературных двигателей, компоненты ядерных реакторов, промышленные печи и другое оборудование, работающее в агрессивных условиях, отметили в Томском политехе.
Как подчеркнули в вузе, несмотря на предсказанный учеными значительный потенциал высокоэнтропийных боридов, на сегодняшний день их производство не налажено ни в одной стране мира. Синтез боридов традиционными методами требует использования специального дорогостоящего оборудования и осуществляется только при высоких температурах и в инертных средах, где химическая реактивность сведена к минимуму. Кроме того, этот процесс занимает много времени.
Команда лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли ТПУ предложила более простой и доступный метод — безвакуумный электродуговой синтез. Авторы синтезировали высокоэнтропийные бориды с помощью дугового разряда постоянного тока, который позволяет достигать чрезвычайно высоких температур за короткий промежуток времени — от нескольких секунд до нескольких минут.
Ученые пояснили, что во время дугового разряда создается автономная защитная атмосфера из угарного и углекислого газов, которая предотвращает окисление продукта кислородом воздуха. Таким образом, бориды можно синтезировать на открытом воздухе без применения специального вакуумного и газового оборудования. Этот подход значительно упрощает процесс, снижает потребление энергии и повышает общую производительность.
«В отличие от предыдущих исследований, использовался трехфазный дуговой реактор повышенной электрической мощности, способный перерабатывать увеличенные объемы сырья», — отметил заведующий лабораторией перспективных материалов энергетической отрасли ТПУ Александр Пак.
По его словам, из синтезированных высокоэнтропийных боридов исследователи изготовили объемные керамические образцы с плотностью до 96,5 процентов и твердостью 28,8 гигапаскалей, что в десять раз превышает твердость стали.
«В 2024 году в ТПУ электродуговым плазменным методом на открытом воздухе был синтезирован диборид титана — сверхвысокотемпературный керамический материал, известный с 1961 года и все чаще используемый для изготовления деталей, работающих в экстремальных условиях, таких как ядерные реакторы. На новом этапе мы синтезировали высокоэнтропийный борид, содержащий помимо бора и титана, цирконий, ниобий, гафний и тантал», — сообщила младший научный сотрудник лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли ТПУ Арина Свинухова.
По ее словам, изменяя состав борида металлов, можно контролировать его свойства, что является важным при создании новых материалов.
«Полученные нами объемные керамические образцы сопоставимы по твердости с образцами из порошков, полученных другими методами, а в некоторых случаях даже превосходят аналогичные материалы, описанные в научной литературе», — добавила Свинухова.
В дальнейшем ученые планируют продолжить исследования по синтезу известных и новых высокоэнтропийных боридов различного состава.
Фото: hi-tech.mail.ru