Уникальную технологию аэрокосмической промышленности для синтеза ультратугоплавкого материала — карбида гафния-тантала — с целью использования его для покрытия электрических и механических компонентов, работающих в экстремальных условиях, применила команда исследователей из Сколтеха и Томского политехнического университета, 20 июля сообщает пресс-служба Сколтеха.

С помощью этого экономичного и эффективного способа можно получать высококачественные тройные соединения гафния-тантала-углерода в виде порошков или покрытий, легко наносимых на различные подложки.

Результаты своей работы команда исследователей представила в статье «Крупномасштабный синтез и применение карбидов гафния-тантала», опубликованной в журнале Advanced Functional Materials.

Карбиды переходных металлов, обладающие сверхвысокими температурами плавления, высокой твердостью и износостойкостью, являются промышленно важными материалами. Наиболее тугоплавкие из них — карбиды гафния и тантала с температурой плавления, близкой к 4000 °C.

Смешанные карбиды гафния и тантала приобрели практический интерес из-за возможности повышения температуры плавления, что позволит использовать их в экстремальных условиях. Потенциально они также могут использоваться как каталитические материалы при электролизе воды.

Применяемые в настоящее время методы синтеза тугоплавких карбидов переходных металлов — это дорогостоящие и ресурсоемкие специфические методы спекания, изостатическое прессование при давлении, в 10 000 раз превышающем нормальное атмосферное давление, и некоторые другие, требующие поддержания глубокого вакуума.

Учеными Сколтеха, ТПУ и Университета Пирогова для синтеза высококачественных тройных соединений гафния-тантала-углерода был использован недорогой и эффективный плазмодинамический метод, который с середины 1960-х годов использовался в области аэрокосмических систем, в которых генерируемые гиперзвуковые импульсные потоки плазмы рассматривались в качестве источника электромагнитного движения в плазменных пушках и плазменных двигателях.

Исследователи адаптировали одну из таких технологий для получения карбида гафния-тантала, рассказал научный сотрудник ТПУ и соавтор исследования, доцент ТПУ Дмитрий Никитин:

«Сначала мы накачивали много энергии в емкостной накопитель энергии и использовали разработанную в ТПУ уникальную научную установку — коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, в который помещали исходные материалы: порошкообразные углерод, оксиды гафния и тантала. Когда конденсаторы разряжаются, это приводит к возникновению электрической дуги, которая мгновенно превращает исходные материалы в поток плазмы со скоростью 5 километров в секунду. Всё, что остается сделать, — это собрать конечный материал в виде порошка со стенок камеры-реактора».

Для точного прогнозирования желаемых свойств синтезируемых соединений ученые, использовав современные вычислительные и экспериментальные методы, построили уникальную исследовательскую линию.

С ее помощью команда предсказала 10 фаз карбидов гафния и тантала, отличающихся соотношением двух металлов в полученном материале, и все их синтезировала с использованием уникальной экспериментальной установки.

«Это показывает, что, в отличие от других методов, наш позволяет контролировать состав продукта с высокой селективностью и точностью», — добавил ведущий автор исследования, старший преподаватель Александр Квашнин из Сколтеха.

Метод плазмодинамического синтеза, примененный исследователями, менее требователен к исходным материалам и условиям реактора. К тому же он позволяет наносить покрытия из карбида гафния-тантала на произвольные поверхности, что было доказано экспериментально.

Предложенные исследователями твердосплавные покрытия могут быть использованы для тепловой и электрической изоляции, для защиты изделий от механических повреждений.

Так, сообщают ученые, кабель, покрытый карбидом гафния-тантала, примерно в 10 раз прочнее обычного, его электрическая изоляция и теплозащита также будут значительно повышены. Если же наносить такое покрытие на шарики в шарикоподшипнике, то его износостойкость также значительно возрастет.

«Это исследование очень важно еще и потому, что предсказанные и синтезированные нанопорошки карбида металла, возможно, могут быть использованы в каталитических системах для расщепления воды и получения водорода», — прокомментировал результаты выполненной работы руководитель стратегического проекта ТПУ «Энергия будущего» в рамках программы «Приоритет 2030» Александр Пак.