Особо прочные к ударам и истиранию материалы из порошков оксида алюминия получили ученые Научно-исследовательского физико-технического института (НИФТИ) ННГУ имени Н. И. Лобачевского с помощью метода электроимпульсного плазменного спекания. Полученные материалы могут использоваться в машиностроении, металлообработке, в оборонной промышленности при создании защитных материалов, а также при протезировании зубов и в качестве элементов интегральных микросхем.
В ННГУ создали суперпрочную керамику для машиностроения и протезирования зубов / ©Getty images
По словам разработчиков, при электроимпульсном плазменном спекании порошок нагревается с высокой скоростью в вакууме с помощью пульсирующего тока при постоянном давлении. Полученные материалы имеют однородную и мелкозернистую структуру, что значительно повышает прочность и износостойкость керамик. Благодаря этому такие материалы лучше выдерживают повышенные нагрузки.
«Исследования технологий электроимпульсного плазменного спекания мы проводим с 2008 года. Порошковый материал нагревается до температуры спекания с контролируемой скоростью (от 10 до 2500 °С/мин). Высокие скорости нагрева сокращают длительность спекания и ограничивают рост частиц порошка в процессе консолидации, что обеспечивает высокоплотную субмикрокристаллическую структуру и значительно повышает механические свойства керамики», – рассказал заведующий лабораторией технологии керамик НИФТИ ННГУ, член российского керамического общества Максим Болдин.
Нижегородские ученые исследовали три вида керамических материалов на основе оксидов алюминия — субмикронный и мелкодисперсный порошки Al2O3, а также субмикронный порошок оксида алюминия с аморфным слоем этого же оксида на поверхности частиц. В процессе спекания исходного вещества происходила усадка, которая исследовалась на математических моделях.
В ходе экспериментов ученые обнаружили, что частицы порошка, покрытые аморфным оксидом алюминия, в сплаве аномально быстро образуют зерна при более низкой энергии активации. Причинами аномально быстрого роста зерен ученые ННГУ считают дефекты на их границах, которые и усиливают микротвердость, делая керамику из порошка с аморфным слоем оксида алюминия в полтора раза прочнее.
Добавим, что разработка ученых НИФТИ ННГУ уже используется на нижегородских предприятиях для изготовления металлообрабатывающих инструментов и керамических подшипников. Исследования проводятся в рамках гранта РНФ «Проектирование и изготовление новых керамических и функционально-градиентных материалов на основе оксида алюминия с высокой баллистической стойкостью для композиционных элементов защиты». Результаты исследования опубликованы в журнале Materials в 2022 году.
