Российские учёные разработали уникальный метод синтеза карбидов для получения ультратугоплавких материалов
Команда исследователей из Сколтеха и Томского политехнического университета применила уникальную технологию, используемую в аэрокосмической промышленности, для синтеза карбида гафния-тантала — тугоплавкого материала для покрытия электрических и механических компонентов, работающих в экстремальных условиях. Недорогой и эффективный способ позволяет получать высококачественные тройные соединения как в виде порошков, так и в виде покрытий, которые можно легко наносить на различные подложки.
Схема исследования: предсказание стабильных фаз карбида гафния-тантала с разным соотношением
элементов в составе и их синтез в виде порошков и покрытий на меди
© Александр Квашнин/Сколтех
Карбиды переходных металлов считаются промышленно важными материалами: они обладают сверхвысокими температурами плавления, высокой твёрдостью и износостойкостью. Карбиды гафния и тантала являются наиболее тугоплавкими, обладая самой высокой температурой плавления, близкой к 4000 °C. Исследования, синтез и применение гипотетических смешанных карбидов гафния и тантала приобрели практический интерес из-за возможности повышения температуры плавления, что позволяет использовать их в экстремальных условиях. Кроме того, потенциально они могут использоваться в качестве каталитических материалов для электролиза воды.
Обычно синтез тугоплавких карбидов переходных металлов требует использования различных специфических методов спекания, изостатического прессования и других, с необходимостью поддержания глубокого вакуума. Они являются дорогостоящими и ресурсоёмкими. Исследователи Сколтеха, ТПУ и Университета Пирогова применили недорогой и эффективный плазмодинамический метод синтеза высококачественных тройных соединений гафния-тантала-углерода как в виде порошков, так и в виде покрытий, которые можно легко наносить на различные подложки.
Технология основана на генерации ускоренных импульсных потоков плазмы. Аналогичные технологии с середины 1960-х годов использовались в области аэрокосмических систем. Генерируемые гиперзвуковые потоки потенциально рассматривались в качестве источника электромагнитного движения в плазменных пушках и плазменных двигателях. Для решения практической задачи были предложены различные конструкции плазменных ускорителей. К концу XX века сфера их применения расширилась, затронув синтез различных функциональных материалов.
Одну из таких технологий — плазмодинамический метод синтеза — учёные адаптировали для получения карбида гафния-тантала.
«Сначала мы накачивали много энергии в ёмкостной накопитель энергии и использовали разработанную в ТПУ уникальную научную установку — коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, в который помещали исходные материалы: порошкообразные углерод, оксиды гафния и тантала. Когда конденсаторы разряжаются, это приводит к возникновению электрической дуги, которая мгновенно превращает исходные материалы в поток плазмы со скоростью 5 километров в секунду. Всё, что остаётся сделать, — это собрать конечный материал в виде порошка со стенок камеры-реактора», — рассказал научный сотрудник ТПУ и соавтор исследования, доцент ТПУ Дмитрий Никитин.
«Мы использовали современные вычислительные методы вместе с экспериментальными методами, необычными для таких типов соединений, чтобы построить уникальную исследовательскую линию, позволяющую точно прогнозировать новые соединения с желаемыми свойствами с последующим селективным и недорогим синтезом новых соединений и функциональных материалов на их основе», — объяснил ведущий автор исследования, старший преподаватель Александр Квашнин из Сколтеха.
Команда предсказала 10 фаз карбидов гафния и тантала, которые отличаются относительным соотношением двух металлов в полученном материале, и синтезировала их все с использованием уникальной экспериментальной установки. «Это показывает, что, в отличие от других методов, наш позволяет контролировать состав продукта с высокой селективностью и точностью», — добавил Квашнин.
Кстати, «другие методы» — это прессование порошка при давлении, в 10 000 раз превышающем нормальное атмосферное давление, и высоких температурах, а также спекание в искровой плазме в условиях высокого вакуума. Необходимые для получения карбидов гафния-тантала экстремальные условия довольно труднодостижимы, и, кроме того, оба метода требуют измельчения исходных материалов в очень мелкие порошки для обеспечения однородности продукта.
Помимо того, что предложенный командой исследователей метод плазмодинамического синтеза менее требователен к исходным материалам и условиям реактора, он также является методом нанесения покрытий из карбида гафния-тантала на произвольные поверхности. «Часть из 10 соединений, предсказанных и синтезированных в этом исследовании, мы также нанесли в виде покрытия на образец меди», — сказал Квашнин.
По мнению исследователей, такие твердосплавные покрытия можно было бы использовать для тепловой и электрической изоляции, а также для защиты от механических повреждений. «Если мы представим, что этот кусок меди был кабелем, то, покрыв его карбидом гафния-тантала, мы сделали этот кабель примерно в 10 раз прочнее, а также обеспечили его электрическую изоляцию и теплозащиту, — продолжил исследователь. — Другие компоненты, которые функционируют в суровых условиях, также могут выиграть от таких покрытий. Скажем, если наносить их на шарики в шарикоподшипнике, то значительно повысится его износостойкость».
Руководитель стратегического проекта Томского политехнического университета «Энергия будущего» в рамках программы «Приоритет 2030» Александр Пак прокомментировал результаты работы: «Это исследование очень важно ещё и потому, что предсказанные и синтезированные нанопорошки карбида металла, возможно, могут быть использованы в каталитических системах для расщепления воды и получения водорода. Сотрудничество Центра экоэнергетики ТПУ и Проектного центра по энергопереходу Сколтеха может создать впечатляющие новые материалы для современной энергетики».
Статья опубликована в журнале Advanced Functional Materials
Источник: skoltech.ru
Похожие статьи:
- Капилляры из оксида графена неплохо очищают воду
- В древнекитайской керамике обнаружен редкий оксид железа
- Самый твердый синтетический алмаз в мире
- Кристалл, сгибаемый светом. Видео
- Российские ученые разработали метод получения сверхтвердого материала «фуллерит»
- Самоочищающаяся поверхность из отходов силикона
Метки Технологии, Химия. Закладка постоянная ссылка. Каналы вестибулярного аппарата позволили установить, когда наши предки стали теплокровными Химики синтезировали яд рыбы фугу за 22 стадии
Добавить комментарий Отменить ответ
Ваш адрес email не будет опубликован.
Комментарий
Сайт
