Армированную прозрачную керамику на основе алюмомагниевой шпинели для работы в экстремальных условиях, в том числе в космосе, разрабатывают специалисты Научно-образовательного инновационного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» Томского политехнического университета (ТПУ), 15 апреля сообщает пресс-служба вуза.

Керамические материалы на основе алюмомагниевой шпинели — смеси оксида алюминия и оксида магния, представляющие собой прозрачную броню, могут быть использованы для изготовления иллюминаторов космических аппаратов, сканеров, оптики в системах ночного видения и других устройств, работающих в экстремальных условиях.

Развитие высокотехнологичных отраслей производства, таких как электроника, энергетика, аэрокосмическая и оборонная промышленность, выставляет новые требования к оптическим материалам: при низкой стоимости они должны быть химически, механически и радиационно стойкими.

Исследователи из Томского политеха предложили восполнить дефицит таких материалов за счет поликристаллической прозрачной наноструктурированной керамики с высокими оптическими характеристиками.

В отличие от традиционных оптических материалов прозрачная керамика позволяет при изготовлении варьировать тепловые, оптические, механические и прочностные свойства материала. Кроме того, и стоимость таких керамик достаточно низкая, а производство достаточно легко масштабируется.

Алюмомагниевая шпинель (MgAl₂O₄, АМШ) является одним из наиболее перспективных прозрачных керамических материалов. Из нее можно изготавливать прозрачную броню, инфракрасные окна для ракетных пусковых установок, иллюминаторы космических аппаратов, использовать в сканерах, системах ночного видения и в качестве основы для сцинтилляционных и лазерных материалов, рассказал руководитель проекта, сотрудник Научно-образовательного инновационного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» Владимир Пайгин.

Такому широкому спектру применения керамики на основе алюмомагниевой шпинели способствует ее низкий удельный вес, высокая твердость и механическая прочность, коррозионная и термическая стойкость, химическая инертность и оптическая прозрачность в широком диапазоне электромагнитного излучения (от ближней ультрафиолетовой до середины инфракрасной области).

Причем эти свойства можно изменять в процессе производства с помощью введения армирующих добавок, применения различных технологических условий спекания, модификации поверхности внешними энергетическими воздействиями.

«Наиболее перспективным, на наш взгляд, методом для изготовления прозрачной керамики является электроимпульсное плазменное спекание (Spark plasma sintering, SPS). Он обеспечивает формирование совершенных межзеренных границ нанометровых масштабов в процессе консолидации высокочистых нанопорошков, при равномерном распределении плотности в объеме спекаемого материала, что позволяет получать высококачественные конкурентоспособные изделия, обладающие комплексом высоких оптических и прочностных свойств», — пояснил молодой ученый.

Исследователи в качестве армирующей добавки применили нановолокна оксида алюминия (Al₂O₃). Они уже получили первые лабораторные образцы прозрачной керамики на основе алюмомагниевой шпинели, армированной такими нановолокнами в различной концентрации, и проводят изучение зависимости физико-механических и оптических свойств керамики от концентрации армирующих волокон, различных режимов электроимпульсного плазменного спекания, а также последующей термической обработки.

«Будет проведено изучение кристаллической и вакансионной структуры синтезируемых материалов, оптических и прочностных свойств», — уточнил Владимир Пайгин.

Результатом проекта должна стать разработка оптимальных способов повышения оптических и прочностных характеристик наноструктурированной прозрачной керамики на основе алюмомагниевой шпинели, армированной нановолокнами оксида алюминия.