В Томске создали "космическую" керамику на открытом воздухе

Новый метод, использованный учеными, открывает новые перспективы в области материалов и технологий. Этот значимый результат был опубликован в журнале International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.

Высокоэнтропийные бориды, являющиеся соединениями металлов с бором, представляют собой важный класс сверхвысокотемпературной керамики, который активно изучается на протяжении последних десяти лет. Эти материалы обладают уникальными свойствами, которые делают их привлекательными для применения в условиях высоких температур и агрессивных сред.

Исследования в области сверхвысокотемпературных материалов имеют стратегическое значение для развития современных технологий и промышленности. Синтезированная научным коллективом керамика открывает новые горизонты для создания более эффективных и долговечных материалов, способных выдерживать экстремальные условия эксплуатации.

Высокоэнтропийные бориды - это материалы, способные выдерживать экстремальные температуры свыше 3000 °C и обладающие уникальными свойствами, такими как повышенная твердость, стойкость к коррозии и окислению. Благодаря этим характеристикам, из них можно создавать детали для высокотемпературных двигателей, компоненты ядерных реакторов, промышленные печи и другое оборудование, предназначенное для работы в агрессивных условиях. Эти возможности были подробно рассмотрены и проанализированы специалистами из Томского политехнического университета.

Однако, как сообщили в университете, несмотря на огромный потенциал высокоэнтропийных боридов, на сегодняшний день производство этих материалов не налажено нигде в мире. Синтез боридов с использованием традиционных методов требует специализированного и дорогостоящего оборудования, а также проведения процесса при высоких температурах и в инертной среде, чтобы минимизировать химическую реактивность. Этот процесс также занимает значительное количество времени, что является одним из препятствий для широкого использования высокоэнтропийных боридов в промышленности.

В лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли ТПУ исследователи предложили новый метод синтеза материалов — безвакуумный электродуговой подход. Этот метод основан на использовании дугового разряда постоянного тока, который способен генерировать высокие температуры за короткий промежуток времени, от нескольких секунд до нескольких минут.

Авторы эксперимента синтезировали высокоэнтропийные бориды и отметили, что в процессе дугового разряда образуется защитная атмосфера из угарного и углекислого газов. Эта атмосфера предотвращает окисление продукта кислородом воздуха, что способствует более чистому и эффективному синтезу материалов.

Ученые также подчеркнули, что использование данного метода позволяет значительно упростить процесс синтеза и сделать его более доступным для промышленного применения. Безвакуумный электродуговой метод синтеза открывает новые перспективы для создания инновационных материалов в энергетической отрасли и других областях науки и техники.

В процессе синтеза боридов на открытом воздухе, без применения специального вакуумного и газового оборудования, происходит значительное упрощение технологического процесса. Это позволяет снизить энергопотребление и увеличить общую производительность. "Для этого использовался трехфазный дуговой реактор повышенной электрической мощности, способный обрабатывать большие объемы сырья", — отметил заведующий лабораторией перспективных материалов энергетической отрасли ТПУ Александр Пак.

Этот инновационный подход не только упрощает процесс синтеза боридов, но и содействует снижению затрат на производство и повышению эффективности процесса. Важно отметить, что использование открытой среды для синтеза материалов является перспективным направлением в развитии технологий.

Благодаря использованию нового оборудования и методов, удалось достичь более эффективного процесса синтеза боридов, что открывает новые возможности для применения этих материалов в различных отраслях промышленности.

Научные исследователи из ТПУ сообщили о создании объемных керамических образцов, полученных из синтезированных высокоэнтропийных боридов. Эти образцы имеют плотность до 96,5 процентов и твердость 28,8 гигапаскалей, что делает их в десять раз прочнее стали.

Важным достижением стал синтез диборида титана в ТПУ в 2024 году с использованием электродугового плазменного метода на открытом воздухе. Этот сверхвысокотемпературный керамический материал, известный с 1961 года, становится все более популярным для создания деталей, работающих в экстремальных условиях, включая ядерные реакторы. На новом этапе исследований удалось синтезировать высокоэнтропийный борид, содержащий кроме бора и титана, также цирконий, ниобий, гафний и тантал, как сообщила младший научный сотрудник лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли ТПУ, Арина Свинухова.

Исследователи планируют продолжить работу по синтезу известных и новых высокоэнтропийных боридов различного состава. По мнению Свинуховой, изменяя состав борида металлов, можно контролировать его свойства, что имеет важное значение при разработке новых материалов. Она отметила, что образцы объемной керамики, полученные их командой, не только сопоставимы по твердости с образцами из порошков, полученными другими методами, но в некоторых случаях даже превосходят аналогичные материалы, описанные в научной литературе.

В рамках гранта РНФ было проведено исследование, которое позволило получить ценные данные.

Эксперименты и наблюдения, осуществленные в ходе исследования, позволили выявить новые закономерности и тенденции.

Результаты работы над проектом, финансируемым Российским научным фондом, могут оказать значительное влияние на развитие научной области.

Источник и фото - ria.ru