Учёные НИТУ «МИСиС» нашли способ, который повышает трещиностойкость и прочность карбида кремния на растяжение и изгиб. В основе разработки стоят нановолокна, которые активируют спекание керамики и повышают прочностные характеристики материала, предотвращая появление трещин. Статья о разработке опубликована в Ceramics International – сообщает пресс-служба НИТУ «МИСиС».
Карбид кремния – материал, который применяется в качестве полупроводника, конструкционного материала, абразива и огнеупора в различных отраслях промышленности. Он практически не встречается в природе, в основном, его синтезируют искусственно. Ключевая проблема карбидокремниевой керамики – она прекрасно работает на сжатие, но чувствительна к структурным дефектам: зачастую имеет низкую трещиностойкость и малую прочность на растяжение и изгиб.
Ученые НИТУ «МИСиС» нашли способ улучшить свойства материала за счет формирования в ней армирующих нановолокон по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Синтез проводился в несколько этапов. Сначала порошки кремния, углерода, тантала и тефлона замешивались в планетарной мельнице, затем полученная смесь сжигалась в реакторе. В процессе горения происходило формирование нановолокон. На последнем этапе происходило спекание изделия в вакуумной печи.
«Благодаря эффекту комбинированной добавки тантала и тефлона нам удалось синтезировать материал с карбидокремниевой матрицей, упрочненной карбидокремниевыми нановолокнами. Эти нановолокна активируют спекание керамики и повышают прочностные характеристики спеченного материала, так как они служат барьером для распространения трещин», – рассказывает автор работы, кандидат технических наук, сотрудник Научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза МИСиС-ИСМАН Степан Воротыло.
По информации пресс-службы НИТУ «МИСиС», за счет формирования нановолокон удалось значительно снизить требуемые температуры и выдержки при вакуумном спекании – с многочасовой выдержки при 1800-2000°C до 1 часа при 1450°C.
Ученые планируют продолжить работу над повышением трещиностойкости и прочности материала. Совмещение хороших механических характеристик и экономичности производственного процесса, позволит расширить области применения карбида кремния в качестве конструкционного и огнеупорного материала. Например, его применение для изготовления лопаток турбин и деталей двигателей внутреннего сгорания позволило бы существенно поднять рабочие температуры в двигателях и заметно повысить их характеристики: мощность, тяговую силу, КПД, экологичность и др. Также карбидокремниевая керамика, для производства которой используются полевой шпат и кварцевый песок, может успешно заменить детали из сплавов, содержащих дефицитные кобальт, никель и хром, применяющиеся в моторостроении.
Подготовлено по материалам пресс-релиза пресс-службы НИТУ «МИСиС»
Иллюстрация: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884219334820
