В современном мире нужны материалы, способные длительное время работать при агрессивном воздействии кислорода и высоких температур. Они требуются, например, для обшивки космических аппаратов, крыльев авиационной техники, деталей воздушно-реактивных и ракетных двигателей. Таким материалом может быть композитная ультравысокотемпературная керамика: различные ее виды выдерживают температуру выше 2000 градусов Цельсия. В состав такой керамики обычно вводят разные добавки, благодаря которым на поверхности материала образуется слой c защитными свойствами. Ученые ПНИПУ выяснили, что добавление оксида лантана улучшает устойчивость к окислению композитной керамики на основе диборида циркония.
В ПНИПУ исследовали добавку, которая делает композитную керамику устойчивее к окислению / © Getty images
Исследование опубликовано в журнале «Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия». Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Политехники исследовали влияние добавки оксида лантана на окисление керамики системы «диборид циркония–карбид кремния». Эксперименты проводили на образцах без добавки и с добавлением оксида лантана в разной концентрации.
Порошки смешивали в мельнице, а затем подвергали искровому плазменному спеканию при давлении 30 МПа и температуре 1700 градусов Цельсия со скоростью нагрева при помощи тока 50 градусов в минуту и изотермической выдержкой пять минут. Материал нагружали непосредственно перед началом нагрева и снимали нагрузку только после его окончания. Затем ученые исследовали отношение массы материала ко всему занимаемому им объему и открытую пористость (объем пор, сообщающихся между собой) спеченных образцов. Пористость негативно влияет на прочность керамики и на ее стойкость к окислению, однако, как выяснили политехники, добавление оксида лантана не вызывает ее повышения.
Окисление проводили на воздухе в специальной электропечи: образцы в тиглях помещали в печь, нагретую до 1200 градусов Цельсия, спустя определенное время их доставали и взвешивали для фиксации массы, после чего снова помещали в печь. Общее время высокотемпературного окисления составило 20 часов.
Затем ученые исследовали структуру и состав образцов, выполнили их микроскопический анализ и определили, как добавление оксида лантана изменило состав их поверхностного слоя. У образцов без добавки он содержал практически только оксиды кремния с примесью оксидов бора и циркония, а у образцов с добавкой – диоксид циркония и циркон, который значительно более устойчив к теплоудару (резкому повышению или понижению температуры).
«Стойкость к высокотемпературному окислению композитной керамики на основе диборида циркония во многом зависит от состава защитного слоя на ее поверхности. Применение оксида лантана усиливает процесс формирования циркона и способствует замедлению процесса окисления», – подводит итог доктор технических наук, профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ Светлана Порозова.
Результаты исследования будут полезны во всех сферах, где активно используется ультравысокотемпературная керамика: авиа- и ракетостроение, металлообработка, атомная и химическая промышленность. Исследования ученых в области получения керамических материалов и покрытий в настоящее время продолжаются.
