МОСКВА, 13 окт — РИА Новости. Исследователи Томского политехнического университета синтезировали на открытом воздухе сверхвысокотемпературную керамику, которая может применяться в аэрокосмической промышленности, ядерной энергетике и производстве режущих инструментов. По словам ученых, это стало возможным благодаря примененному впервые методу. Результаты опубликованы в International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.
Высокоэнтропийные бориды — это соединения металлов с бором, класс сверхвысокотемпературной керамики, активно изучаемый последние десять лет. Материалы на основе боридов выдерживают температуры выше 3000 °C и отличаются повышенной твердостью, стойкостью к коррозии и окислению. Эти свойства позволяют создавать из них детали высокотемпературных двигателей, компоненты ядерных реакторов, промышленных печей и другое оборудование, работающее в агрессивных средах, рассказали в Томском политехе.
Как отметили в вузе, несмотря на предсказанный учеными большой потенциал высокоэнтропийных боридов, на сегодняшний день их производство не налажено нигде в мире. Синтез боридов известными методами требует использования специального дорогостоящего оборудования и происходит только в условиях высоких температур и инертных сред, в которых химическая реактивность сведена к минимуму. Кроме того, занимает много времени.
Коллектив лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли ТПУ предложил более простой и доступный подход — безвакуумный электродуговой метод синтеза. Авторы синтезировали высокоэнтропийные бориды с помощью дугового разряда постоянного тока, который позволяет достичь чрезвычайно высоких температур за короткий промежуток времени — от нескольких секунд до нескольких минут.
Образец высокоэнтропийных боридов
© Фото предоставлено пресс-службой ТПУ
1 из 2
Образец высокоэнтропийных боридов
© Фото предоставлено пресс-службой ТПУ
2 из 2
Образец высокоэнтропийных боридов
© Фото предоставлено пресс-службой ТПУ
1 из 2
Образец высокоэнтропийных боридов
© Фото предоставлено пресс-службой ТПУ
2 из 2
Ученые объяснили, что во время дугового разряда образуется автономная защитная атмосфера из угарного и углекислого газов, которая предотвращает окисление продукта кислородом воздуха. Поэтому синтезировать бориды можно на открытом воздухе, без использования специального вакуумного и газового оборудования. Такой подход существенно упрощает процесс, снижает энергопотребление и повышает общую производительность.
"В отличие от предыдущих исследований, использовался трехфазный дуговой реактор повышенной электрической мощности, способный переработать увеличенные объемы сырья", — сказал 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 тверже 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, например, ядерных реакторов. На новом этапе мы синтезировали высокоэнтропийный борид, содержащий кроме 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 управлять его свойствами, что важно при создании новых материалов.
"Образцы объемной керамики, полученные нами, 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 работу по синтезу известных и новых высокоэнтропийных боридов различного состава.
Исследование проводилось в рамках гранта РНФ.