Группа исследователей из Сколтеха, Томского политехнического университета и других научных организаций России и Китая использовали метод плазмодинамического синтеза для получения высокоэнтропийного карбида — соединения титана, циркония, ниобия, гафния, тантала с углеродом — и карбонитрида — твердого раствора, образованного карбидами и нитридами используемых переходных металлов — в форме нанопорошков и покрытий. Новая технология обеспечивает простой и универсальный способ получения высокоэнтропийных материалов, которые находят свое применение в защитных покрытиях, ядерной энергетике, литий-ионных аккумуляторах, катализаторах и микроэлектронике.
Кристаллические структуры моделируемых элементов — высокоэнтропийного карбида, высокоэнтропийного карбонитрида и высокоэнтропийного нитрида. Атомы углерода представлены серыми сферами, азота — голубыми, тантала — светло-голубыми, циркония — светло-розовыми, гафния — оранжевыми, ниобия — зелеными, а титана — желтыми. / © Synthesis of high-entropy Ti-Zr-Nb-Hf-Ta carbides and carbonitrides in high-speed arc discharge plasma jet
Результаты опубликованы в Journal of Alloys and Compounds. В состав высокоэнтропийных соеднинений входит от четырех и более различных основных элементов, в данном случае — металлы и углерод. В работе ученые с помощью новой технологии синтезировали карбид из титана, циркония, ниобия, гафния, тантала (TiZrNbHfTaС5), а также карбонитрид из этих составляющих. Авторы отмечают, что вещество является одним из наиболее подходящих материалов для изготовления ультравысокотемпературных керамических элементов благодаря своим высоким механическим свойствам и температурной стабильности. Однако синтез карбида очень трудоемок: он требует тщательной подготовки исходного сырья, а проводят его при сверхвысоких температурах — около 2200-2300°C — в течение длительного времени.
«Многокомпонентные и высокоэнтропийные материалы изучаются сравнительно недавно. Мы с коллегами смоделировали различные структуры карбонитридов с разной концентрацией азота и углерода и изучили термодинамическую стабильность при разных температурах. Мы выяснили, что большое количество азота может привести к сильным механическим напряжениям решетки, что негативно скажется на стабильности материала», — рассказал о работе руководитель исследования, профессор Александр Квашнин из Проектного центра по энергопереходу Сколтеха.
Для синтезирования карбида и карбонитрида группа ученых использовала метод плазмодинамического синтеза. Он заключается в использовании высокоскоростной струи плазмы дугового разряда в качестве среды для осуществления высокоэнергетических реакций плазмохимического синтеза. Дуговой разряд и последующий поток плазмы генерируются с помощью коаксиального магнитоплазменного ускорителя.
«В работе речь идет об использовании уникальной научной установки — коаксиального магнитоплазменного ускорителя. За время импульса менее одной миллисекунды происходит формирование высокоскоростной плазменной струи, в которой достигаются повышенные температура, давление и скорость кристаллизации, необходимые для получения уникальных наноматериалов.
Совместно с коллегами из Сколтеха, на основе методов компьютерного дизайна материалов, нам удалось экспериментально совместить Ti, Zr, Nb, Hf, Ta, C и N в единую структуру. Метод не требует применения особых процедур подготовки исходного сырья, отличается низкими энергозатратами и является универсальным, обеспечивая синтез самых разнообразных классов материалов: карбидов, нитридов, оксидов, углеродных наноструктур и композитов на их основе», — прокомментировал результаты исследования первый автор работы, доцент ТПУ Дмитрий Никитин.
Применение плазмодинамического метода для синтеза высокоэнтропийных карбидов и карбонитридов приводит к получению высококачественных монофазных порошков. Этот метод не только позволяет эффективно получать чистый высокоэнтропийный карбид TiZrNbHfTaС5 в дисперсной монокристаллической форме, но и обеспечивает введение азота в кристаллическую решетку, тем самым синтезируя структуры, близкие к карбонитриду. Используя безуглеродистую смесь прекурсоров в атмосфере азота, можно получать материалы, содержащие до восьми весовых процентов азота.
