В Томском политехническом университете (ТПУ) разработали инновационную сверхвысокотемпературную керамику, способную функционировать в экстремальных условиях. Материал, пригодный для применения в аэрокосмической отрасли, ядерной энергетике и производстве инструментов, был синтезирован на открытом воздухе с использованием уникального, впервые примененного метода. Результаты этого прорывного исследования опубликованы в престижном научном издании International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.
Перспективы Высокоэнтропийных Боридов
Высокоэнтропийные бориды, представляющие собой соединения металлов с бором, относятся к классу сверхвысокотемпературной керамики, вызывающей значительный интерес у ученых на протяжении последнего десятилетия. Эти материалы обладают исключительной устойчивостью к температурам свыше 3000 °C, а также выдающейся твердостью, коррозионной стойкостью и сопротивлением окислению. Как пояснили представители Томского политехнического университета, такие характеристики открывают широкие возможности для их использования в изготовлении деталей высокотемпературных двигателей, элементов ядерных реакторов, промышленных печей и других систем, эксплуатируемых в крайне агрессивных условиях.
Несмотря на прогнозируемый учеными значительный потенциал высокоэнтропийных боридов, их массовое производство до сих пор не реализовано нигде в мире, подчеркнули в вузе. Традиционные методы синтеза боридов требуют сложного и дорогостоящего оборудования, а также строго контролируемых условий высоких температур и инертной атмосферы для минимизации химической активности. Эти процессы также отличаются длительностью.
Инновационный Метод Синтеза
Специалисты лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли ТПУ разработали инновационный, более простой и экономичный безвакуумный электродуговой метод синтеза. В ходе исследования высокоэнтропийные бориды были получены с использованием дугового разряда постоянного тока, который позволяет достигать экстремально высоких температур в течение очень короткого времени – от нескольких секунд до нескольких минут.
Исследователи пояснили, что в процессе дугового разряда самопроизвольно формируется защитная газовая среда, состоящая из угарного и углекислого газов. Эта атмосфера эффективно предотвращает окисление синтезируемого материала кислородом из окружающего воздуха. Таким образом, бориды могут быть получены без применения дорогостоящего вакуумного или специального газового оборудования, что значительно упрощает технологический процесс, сокращает энергозатраты и повышает общую эффективность производства.
«В отличие от ранее проводимых работ, мы использовали трехфазный дуговой реактор с повышенной электрической мощностью, что позволило обрабатывать значительно большие объемы исходного сырья», — прокомментировал заведующий лабораторией перспективных материалов энергетической отрасли ТПУ Александр Пак.
Александр Пак отметил, что из полученных высокоэнтропийных боридов были изготовлены объемные керамические образцы, демонстрирующие плотность до 96,5% и твердость в 28,8 гигапаскалей. Это в десять раз превышает твердость стали.
Развитие Технологии
«Ранее, в 2024 году, в ТПУ уже был успешно синтезирован диборид титана — сверхвысокотемпературный керамический материал, широко известный с 1961 года и востребованный для компонентов, работающих в экстремальных условиях, таких как ядерные реакторы. Сейчас, на следующем этапе исследований, нам удалось синтезировать высокоэнтропийный борид, в состав которого, помимо бора и титана, входят цирконий, ниобий, гафний и тантал», — рассказала младший научный сотрудник той же лаборатории Арина Свинухова.
Свинухова подчеркнула, что возможность варьировать состав металлических боридов позволяет целенаправленно изменять и контролировать их свойства, что является ключевым фактором в разработке инновационных материалов.
«Полученные нами образцы объемной керамики не только не уступают по твердости материалам, полученным из порошков другими методами, но в ряде случаев даже демонстрируют превосходство над аналогичными образцами, описанными в научной литературе», — отметила Свинухова.
В будущем научный коллектив намерен продолжать исследования по синтезу как уже известных, так и совершенно новых высокоэнтропийных боридов с разнообразными составами. Данное исследование было поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).
