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 Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Ceramics International.

Графическое описание работы. Источник: Pak et al. / Ceramics International, 2021

Графическое описание работы. Источник: Pak et al. / Ceramics International, 2021

 

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 2500°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 улучшениям 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 вакуумирования, 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.

Кристаллический агломерат с энергодисперсионным спектром и карты, показывающие распределение элементов в образце. Источник: Pak et al. / Ceramics International, 2021

Кристаллический агломерат с энергодисперсионным спектром и карты, показывающие распределение элементов в образце. Источник: Pak et al. / Ceramics International, 2021

 

«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 несколько десятков, судя по международным базам научных знаний, и поиск продолжается», — подводит итог Гумовская Арина, инженер, магистрант Томского политехнического университета, соавтор работы, соисполнитель проекта.

 

Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда