• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
20 июля
Сколтех
522

Разработан уникальный метод синтеза карбидов для получения ультратугоплавких материалов

4.6

Команда исследователей из Сколтеха и Томского политехнического университета применила уникальную технологию, используемую в аэрокосмической промышленности, для синтеза карбида гафния-тантала — тугоплавкого материала для покрытия электрических и механических компонентов, работающих в экстремальных условиях. Недорогой и эффективный способ позволяет получать высококачественные тройные соединения как в виде порошков, так и в виде покрытий, которые можно легко наносить на различные подложки.

Карбид гафния под микроскопом / ©Getty images

Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials. Карбиды переходных металлов считаются промышленно важными материалами: они обладают сверхвысокими температурами плавления, высокой твердостью и износостойкостью. Карбиды гафния и тантала являются наиболее тугоплавкими, обладая самой высокой температурой плавления, близкой к 4000 градусов Цельсия.

Исследования, синтез и применение гипотетических смешанных карбидов гафния и тантала приобрели практический интерес из-за возможности повышения температуры плавления, что позволяет использовать их в экстремальных условиях. Кроме того, потенциально они могут использоваться в качестве каталитических материалов для электролиза воды.

Обычно синтез тугоплавких карбидов переходных металлов требует использования различных специфических методов спекания, изостатического прессования и других, с необходимостью поддержания глубокого вакуума. Они являются дорогостоящими и ресурсоемкими. Исследователи Сколтеха, ТПУ и Университета Пирогова применили недорогой и эффективный плазмодинамический метод синтеза высококачественных тройных соединений гафния-тантала-углерода как в виде порошков, так и в виде покрытий, которые можно легко наносить на различные подложки.

Технология основана на генерации ускоренных импульсных потоков плазмы. Аналогичные технологии с середины 1960-х годов использовались в области аэрокосмических систем. Генерируемые гиперзвуковые потоки потенциально рассматривались в качестве источника электромагнитного движения в плазменных пушках и плазменных двигателях. Для решения практической задачи были предложены различные конструкции плазменных ускорителей. К концу XX века сфера их применения расширилась, затронув синтез различных функциональных материалов.

Схема исследования: предсказание стабильных фаз карбида гафния-тантала с разным соотношением элементов в составе и их синтез в виде порошков и покрытий на меди / ©Александр Квашнин / Сколтех

Одну из таких технологий — плазмодинамический метод синтеза — ученые адаптировали для получения карбида гафния-тантала. «Сначала мы накачивали много энергии в ёмкостной накопитель энергии и использовали разработанную в ТПУ уникальную научную установку — коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, в который помещали исходные материалы: порошкообразные углерод, оксиды гафния и тантала.

Когда конденсаторы разряжаются, это приводит к возникновению электрической дуги, которая мгновенно превращает исходные материалы в поток плазмы со скоростью пять километров в секунду. Все, что остается сделать, — это собрать конечный материал в виде порошка со стенок камеры-реактора», — рассказал научный сотрудник ТПУ и соавтор исследования, доцент ТПУ Дмитрий Никитин.

«Мы использовали современные вычислительные методы вместе с экспериментальными методами, необычными для таких типов соединений, чтобы построить уникальную исследовательскую линию, позволяющую точно прогнозировать новые соединения с желаемыми свойствами с последующим селективным и недорогим синтезом новых соединений и функциональных материалов на их основе», — объяснил ведущий автор исследования, старший преподаватель Александр Квашнин из Сколтеха.

Команда предсказала 10 фаз карбидов гафния и тантала, которые отличаются относительным соотношением двух металлов в полученном материале, и синтезировала их все с использованием уникальной экспериментальной установки. «Это показывает, что, в отличие от других методов, наш позволяет контролировать состав продукта с высокой селективностью и точностью», — добавил Квашнин.

Кстати, «другие методы» — это прессование порошка при давлении, в 10 тыс. раз превышающем нормальное атмосферное давление, и высоких температурах, а также спекание в искровой плазме в условиях высокого вакуума. Необходимые для получения карбидов гафния-тантала экстремальные условия довольно труднодостижимы, и, кроме того, оба метода требуют измельчения исходных материалов в очень мелкие порошки для обеспечения однородности продукта.

Помимо того, что предложенный командой исследователей метод плазмодинамического синтеза менее требователен к исходным материалам и условиям реактора, он также является методом нанесения покрытий из карбида гафния-тантала на произвольные поверхности. «Часть из 10 соединений, предсказанных и синтезированных в этом исследовании, мы также нанесли в виде покрытия на образец меди», — сказал Квашнин.

По мнению исследователей, такие твердосплавные покрытия можно было бы использовать для тепловой и электрической изоляции, а также для защиты от механических повреждений. «Если мы представим, что этот кусок меди был кабелем, то, покрыв его карбидом гафния-тантала, мы сделали этот кабель примерно в 10 раз прочнее, а также обеспечили его электрическую изоляцию и теплозащиту, — продолжил исследователь. — Другие компоненты, которые функционируют в суровых условиях, также могут выиграть от таких покрытий. Скажем, если наносить их на шарики в шарикоподшипнике, то значительно повысится его износостойкость».

Руководитель стратегического проекта Томского политехнического университета «Энергия будущего» в рамках программы «Приоритет 2030» Александр Пак прокомментировал результаты работы: «Это исследование очень важно ещё и потому, что предсказанные и синтезированные нанопорошки карбида металла, возможно, могут быть использованы в каталитических системах для расщепления воды и получения водорода. Сотрудничество Центра экоэнергетики ТПУ и Проектного центра по энергопереходу Сколтеха может создать впечатляющие новые материалы для современной энергетики». 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 16:56
Василий Парфенов

В конце июля многие СМИ опубликовали новости с заголовками вида «Земля стала вращаться быстрее — и ученые не знают почему». К концу первой недели августа тема добралась и до русскоязычного сегмента Сети. На поверку этот инфоповод пусть и без негативных последствий, но демонстрирует основные пороки современной (не только научно-популярной) журналистики. Рассказываем, как в действительности изменяется скорость вращения нашей планеты, насколько хорошо известны причины таких осцилляций, а также почему ученые никогда ничего не знают наверняка (и это нормально).

10 августа
Мария Азарова

Команда австралийских исследователей нашла доказательство того, как формировались и развивались зарождающиеся континенты нашей планеты.

10 августа
Василий Парфенов

Изначально выглядевшая многообещающе ракета-носитель Antares в последние годы стала довольно проблемной. Для ее создания требовалась кооперация США, Украины и России, которая в свете сложившейся геополитической обстановки практически невозможна. Решением проблемы станет переход с российских двигателей на созданные в Америке. И ключевую роль в нем сыграет частично украинская компания Firefly Aerospace.

10 августа
Мария Азарова

Команда австралийских исследователей нашла доказательство того, как формировались и развивались зарождающиеся континенты нашей планеты.

10 августа
Анна Новиковская

Быть «кошатником» — вовсе не грех, но, согласно данным нового исследования, такие люди не всегда знают, что лучше для самих кошек. Напротив, хозяева, которые имеют небольшой опыт общения с домашними животными, могут оказаться внимательнее к потребностям питомца и максимизировать его удовольствие от общения с человеком.

10 августа
Василий Парфенов

Изначально выглядевшая многообещающе ракета-носитель Antares в последние годы стала довольно проблемной. Для ее создания требовалась кооперация США, Украины и России, которая в свете сложившейся геополитической обстановки практически невозможна. Решением проблемы станет переход с российских двигателей на созданные в Америке. И ключевую роль в нем сыграет частично украинская компания Firefly Aerospace.

2 августа
Александр Березин

Если западным странам удастся «лишить Кремль нефтяных доходов», то мир ждет геополитическое землетрясение. Только не обязательно в ту сторону, о которой вы сейчас подумали. На фоне того, что последует за «лишением», шок 1973 года может показаться детской игрой. Naked Science попробует оценить размах «потолочного катаклизма» заранее.

31 июля
Александр Березин

Саудовский принц одобрил строительство гигантского «лежачего небоскреба», который должен стать крупнейшим зданием в истории. Причем еще и самым экологичным в мире. Пресса и соцсети полны возмущенных оценок: «это антиутопия!», «проект сырой!» и тому подобным. Однако чисто технически это не так: «Зеркальную линию» на пять миллионов жителей вполне можно построить. И такое здание в самом деле будет энергоэффективным (и формально безуглеродным). Но у проекта есть другие слабые места, лежащие скорее в сфере науки, нежели техники. Naked Science попробовал разобраться в деталях.

27 июля
Алиса Гаджиева

Новое исследование показало, что появившаяся у человека способность переваривать молочный сахар никак не сказалась на распространенности потребления продуктов молочного животноводства.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: