ЛЕНТА

Российские материаловеды разработали материал с рекордной температурой плавления

Buinevich et al. / Ceramics International, 2020

Материаловеды из НИТУ «МИСиС» синтезировали новый материал с ультравысокой температурой плавления — нестехиометрический карбонитрид гафния. Точно измерить его температуру плавления ученые пока не смогли, но она выше чем у карбида гафния, наиболее тугоплавкого из известных на сегодняшний материалов. Результаты исследования опубликованы в журнале Ceramics International.

Соединения с ультравысокой — 2000 градусов Цельсия и выше — температурой плавления используются во многих областях современных технологий. Особенно востребованы такие материалы в аэрокосмической отрасли: например, из них изготавливают покрытия для носовых обтекателей и передних кромок крыльев многоразовых воздушно-космических самолетов — при выходе из атмосферы температура этих деталей может достигать 4000 градусов Цельсия. Чтобы найти материалы с высокой температурой плавления, а также подходящими механическими свойствами, материаловеды экспериментируют с различной керамикой: оксидами, нитридами, карбидам и боридами переходных металлов. В настоящее время самым тугоплавким материалом называют нестехиометрический карбид гафния HfC0.98 — для него была зафиксирована температура плавления 3927 градусов Цельсия.

Исследователи из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» под руководством Дмитрия Московских (Dmitry O. Moskovskikh) разработали новый материал с ультравысокой температурой плавления — нестехиометрический карбонитрид гафния. Теоретические расчеты указывали на то, что такие соединения будут еще более тугоплавкими, чем чистые карбиды, и их температура плавления может преодолеть порог в 4000 градусов Цельсия. Однако синтез карбонитридов гафния весьма сложен, поэтому получить и протестировать их на практике до недавнего времени никому не удавалось.

Сотрудники «МИСиС» предложили для получения нестехиометрических карбонитридов гафния новый метод, который состоит из трех последовательных стадий. В начале порошок гафния смешивают с порошком угля в мольном соотношении 2:1 и перемалывают в высокоскоростной барабанно-шаровой мельнице в течение пяти минут. Помол проводился в инертной атмосфере — это нужно, чтобы избыток гафния не вступил в реакцию с кислородом. Активированный в шаровой мельнице композит Hf/C с размером частиц 20-100 микрон затем «сжигают» в азоте. Этот процесс называется самораспространяющийся высокотемпературный синтез, для него необходимо высокое давление азота — 8 атмосфер. На этой стадии азот внедряется в кристаллическую решетку композита, превращая его в нестехиометрический карбонитрид. Заключительный шаг — искровое плазменное спекание в атмосфере азота при температуре 2000 градусов Цельсия, которое формирует из карбонитридного порошка объемные диски диаметром 15 милиметров и толщиной 2-3 милиметра. По данным энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии соотношение углерода к азоту в полученных образцах оказалось 1.42. Таким образом, приблизительная формула финального соединения — HfC0.5N0.35.

Эксеримент по сравнению температур плавления

Buinevich et al. / Ceramics International, 2020

Поделиться

Измерить такие высокие значения температуры плавления в лабораторных условиях напрямую очень сложно. Поэтому авторы решили проверить температуру плавления нового материала косвенно — путем сравнения с действующим рекордсменом тугоплавкости, карбидом гафния HfC0.98. Для этого спрессованные образцы двух материалов разместили на графитовой пластине, имеющей форму гантели и сверху накрыли аналогичной пластиной, чтобы избежать тепловых потерь. Затем полученную конструкцию при помощи молибденовых эдектродов подключили к аккумулятору и пропустили через нее ток в 1200 Ампер. Под действием такого мощного электрического тока графит сильно разогревается, при этом самая высокая температура устанавливается в узкой части гантели — там где находятся образцы. Сравнение микрофотографий образцов до и после нагрева показало, что карбонитрид гафния имеет температуру плавления выше: его микроструктура не изменилась, в то время, как на снимках карбида гафния можно увидеть дендритовидные образования — следы того, что образец расплавился и вновь затвердел. Таким образом, можно сказать, что температура плавления HfC0.5N0.35 выше, чем у всех известных ранее материалов — скорее всего, она лежит в промежутке между 4000 и 4200 градусами Цельсия.

В дальнейшем авторы планируют уточнить температуру плавления методом высокотемпературной лазерной или электрической пирометрии, а также изучить стабильность нового материала в гиперзвуковых условиях, что будет актуальным для его дальнейшего применения в аэрокосмической промышленности.

В 2018 году материаловеды из «МИСиС» также предложили новый способ получения так называемых объемных MAX-фаз — слоистых смешанных карбидов, которые сочетают в себе свойства металлов и керамики. Для этого они использовали комбинацию методов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и сдвиговой деформации под давлением.

Наталия Самойлова

источник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Кнопка «Наверх»
Do NOT follow this link or you will be banned from the site!
Установите приложение MEGANEWS на Google Play
УСТАНОВИТЬ
Закрыть
Закрыть

Обнаружен Adblock

Поддержите нас, пожалуйста, отключив блокировку рекламы.