Образец высокоэнтропийных боридов. © Фото предоставлено пресс-службой ТПУ
Исследователи Томского политехнического университета (ТПУ) совершили прорыв, разработав уникальную технологию синтеза сверхвысокотемпературной керамики прямо на открытом воздухе. Этот инновационный материал обещает широкое применение в таких стратегически важных областях, как аэрокосмическая промышленность, ядерная энергетика, а также в производстве высокопрочных режущих инструментов. По словам учёных, подобный метод синтеза был применён впервые в мире, а подробные результаты исследования опубликованы в авторитетном научном журнале International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.
Что такое высокоэнтропийные бориды?
В основе нового материала лежат высокоэнтропийные бориды — класс сверхвысокотемпературной керамики, активно изучаемой последние десять лет. Эти соединения металлов с бором отличаются исключительной способностью выдерживать температуры выше 3000 °C, а также повышенной твёрдостью, стойкостью к коррозии и окислению. Благодаря этим уникальным свойствам, бориды являются идеальными кандидатами для создания деталей высокотемпературных двигателей, компонентов ядерных реакторов, промышленных печей и другого оборудования, которое работает в экстремально агрессивных условиях.
Несмотря на огромный потенциал высокоэнтропийных боридов, их производство до сих пор оставалось сложным и дорогостоящим. Традиционные методы синтеза требуют использования специального оборудования, высоких температур и строго инертных сред для минимизации химической реактивности, что делало процесс длительным и экономически невыгодным.
Инновационный подход ТПУ
Команда лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли ТПУ предложила гораздо более простой и доступный подход — безвакуумный электродуговой метод синтеза. Учёные смогли синтезировать высокоэнтропийные бориды с помощью дугового разряда постоянного тока, который позволяет достигать чрезвычайно высоких температур в течение очень короткого времени — всего от нескольких секунд до нескольких минут.
Ключевым открытием стало то, что во время дугового разряда образуется самодостаточная защитная атмосфера из угарного и углекислого газов. Эта атмосфера эффективно предотвращает окисление продукта кислородом воздуха. Таким образом, синтезировать бориды можно прямо на открытом воздухе, без применения дорогостоящего вакуумного или газового оборудования. Этот метод существенно упрощает производственный процесс, снижает энергопотребление и значительно повышает общую производительность.
«В отличие от предыдущих исследований, использовался трёхфазный дуговой реактор повышенной электрической мощности, способный переработать увеличенные объёмы сырья.»
Из синтезированных высокоэнтропийных боридов исследователи изготовили объёмные керамические образцы, которые показали высокую плотность (до 96,5%) и впечатляющую твёрдость в 28,8 гигапаскалей. Это примерно в десять раз твёрже стали, что подчёркивает исключительные механические свойства нового материала.
«В 2024 году в ТПУ электродуговым плазменным методом на открытом воздухе был синтезирован диборид титана – сверхвысокотемпературный керамический материал, известный с 1961 года и всё чаще используемый для изготовления деталей, работающих в экстремальных условиях, например, ядерных реакторов. На новом этапе мы синтезировали высокоэнтропийный борид, содержащий кроме бора и титана, цирконий, ниобий, гафний и тантал. Изменяя состав борида металлов можно управлять его свойствами, что важно при создании новых материалов.»
По словам Арины Свинуховой, полученные образцы объёмной керамики не только сопоставимы по твёрдости с материалами, полученными другими методами, но в некоторых случаях даже превосходят аналоги, описанные в мировой научной литературе. Учёные ТПУ планируют продолжать работу по синтезу как уже известных, так и совершенно новых составов высокоэнтропийных боридов, открывая новые горизонты в материаловедении.
Исследование проводится при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ).
