23 ноября 2021, 22:01

Высокотемпературную керамику для аэрокосмической промышленности предложили получать на открытом воздухе

Материаловедение

Российские ученые совместно с белорусскими коллегами предложили простой способ получения карбидов металлов (MeC) — материалов для сверхвысокотемпературной керамики, которая востребована в сверхзвуковых летательных аппаратах, реакторах, нагревателях и других приборах. Кроме соединений углерода с одним металлом авторы синтезировали и более сложные системы, так называемые высокоэнтропийные карбиды, которые содержат в равной пропорции пять и более компонентов. Такие системы крайне сложны в получении и представляют собой новое поколение функциональных материалов, на которые возлагаются большие надежды по увеличению прочности как при комнатных, так и при повышенных температурах эксплуатации. Предложенный подход для синтеза хорош тем, что не требует сложного высокотехнологичного оборудования для создания высокого давления или иных специальных условий, а синтез можно проводить даже в обычной воздушной атмосфере. Результаты работы, выполненной в рамках проекта по гранту Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Ceramics International.

Высокотемпературную керамику для аэрокосмической промышленности предложили получать на открытом воздухе
Кристаллический агломерат с энергодисперсионным спектром и карты, показывающие распределение элементов в образце.

Жесткие условия, в которых, например, пребывают на разных стадиях полета спускаемые космические и сверхзвуковые летательные аппараты, требуют особых материалов. Большинство из тех, что мы встречаем в обычной жизни, просто расплавятся или сгорят. Настоящие экстремалы — сверхвысокотемпературные керамики, способные выдерживать температуру почти в половину солнечной — порядка 2 500°С и более. В их основе лежат соединения переходных металлов с углеродом, азотом и бором.

«В последнее время интерес к разработке подобных материалов увеличивается. В частности, особое внимание привлекают высокоэнтропийные карбиды, состоящие из четырех или пяти металлов в эквимолярном соотношении — когда в вещество входит одинаковое количество атомов металла в соединении с углеродом. В такой ситуации ни один из металлов не доминирует в определении свойств материала, как, например, железо в стали. Это приводит к очень интересным синергетическим улучшениями характеристик. Ввиду вхождения в их состав карбидов отдельных металлов, каждый из которых является ультратугоплавким, можно надеяться на достижение новых результатов в том числе и в области рекордных температур плавления какого-либо из теоретически предсказанных высокоэнтропийных карбидов. Проблема изучения таких материалов и их широкого распространения кроется в сложности их получения: обычно нужны очень высокие температуры, давление порядка сотен атмосфер и, конечно, очень дорогое оборудование и много времени. Мы придумали, как упростить процесс синтеза», — рассказывает руководитель проекта РНФ Александр Пак, кандидат технических наук, научный сотрудник научно-исследовательского центра «Экоэнергетика».  

Ученые из Национального исследовательского Томского политехнического университета (Томск) вместе с коллегами из Института тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси предложили синтезировать сверхвысокотемпературные карбиды металлов безвакуумным электродуговым методом. Ранее велись эксперименты по получению карбида кремния, и однажды был обнаружен необычный эффект: при электродуговом синтезе в некоторых случаях возможно формирование автономной защитной газовой среды, состав которой практически не зависит от «внешних условий». Традиционно плазму дугового разряда используют для синтеза различных материалов, в том числе карбидов; порошки металлов и неметаллов или их оксидов и углерод обрабатывают в специальной установке плазмой при температурах в несколько тысяч градусов, в результате получается карбид. При этом процесс проводят в вакууме или в инертной среде, чтобы продукты синтеза не окислились, и на работу вспомогательных вакуумных систем приходится до 80-90% электроэнергии. Авторы работы обнаружили эффект самоэкранирования реакционного объема, который заключается в связывании атмосферного кислорода с образованием газов СО и СО2, Интересно, что при этом возникает своего рода «щит» из этих газов, что очень полезно, поскольку непосредственно в место синтеза атмосферный воздух не попадает. Этот «щит» заменяет собой весь технологический цикл вакууммирования, а значит, процесс может проходить практически на открытом воздухе, и не требуется специальных средств для создания инертной газовой среды. Это существенно упрощает методику и конструкцию плазменных реакторов для синтеза подобных материалов. 

«Мы смогли получить микро- и наноразмерные частички как "обычных", так и высокоэнтропийных карбидов с кубической решеткой. При этом наша методика проста в реализации и энергоэффективна, хорошо подходит для быстрого тестирования гипотез о возможности или невозможности синтеза тех или иных известных и новых высокоэнтропийных карбидов. А их уже сейчас известно насколько десятков, судя по международным базам научных знаний, и поиск продолжается», — подводит итог Гумовская Арина, инженер, магистрант Томского политехнического университета, соавтор работы, соисполнитель проекта.

 

Источник:  Пресс-служба РНФ

Публикации из новости

Synthesis of transition metal carbides and high-entropy carbide TiZrNbHfTaC5 in self-shielding DC arc discharge plasma
Pak A.Y., Grinchuk P.S., Gumovskaya A.A., Vassilyeva Y.Z.
Q1 Ceramics International 2021 цитирований: 1

Читайте также

В ИОХ РАН разработан экологичный метод электрохимического травления германия
В Лаборатории аналогов карбенов и других нестабильных молекул ИОХ РАН впервые показана возможность получения пористого германия с использованием экологически чистых имидазолиевых ионных жидкостей.
Материаловедение
Экология
Электрохимия
16 ноября 2021
Международный коллектив ученых разработал привитую мембрану для «зеленой» электроэнергии
Ученые из ИОНХ РАН, НИУ ВШЭ, Кафедры химического машиностроения (Бельгия) и Технологического университета Тшване (Южная Африка) разработал ионообменные мембраны на основе привитых сополимеров для производства электроэнергии в процессе обратного электродиализа.
Материаловедение
Химия высокомолекулярных соединений
27 октября 2021
Ученые создали из иттербия источники ИК-излучения рекордной интенсивности с помощью нафталиновой «шубы»
Научные сотрудники ФИАН, МГТУ им. Н. Э. Баумана, ИНЭОС РАН, ИОХ РАН и ИОНХ РАН синтезировали и исследовали новые комплексы иттербия с люминесцентными свойствами, перспективные для создания прототипов органических светоизлучающих диодов.
Материаловедение
Неорганическая химия
Химия координационных соединений
20 октября 2021