Российские ученые разработали недорогой метод синтеза карбидов для получения ультратугоплавких материалов
Команда исследователей из Сколтеха и Томского политехнического университета применила уникальную технологию, используемую в аэрокосмической промышленности, для синтеза карбида гафния-тантала — тугоплавкого материала для покрытия электрических и механических компонентов, работающих в экстремальных условиях. Недорогой и эффективный способ позволяет получать высококачественные тройные соединения как в виде порошков, так и в виде покрытий, которые можно легко наносить на различные подложки.
Карбиды переходных металлов считаются промышленно важными материалами: они обладают сверхвысокими температурами плавления, высокой твердостью и износостойкостью. Карбиды гафния и тантала являются наиболее тугоплавкими, обладая самой высокой температурой плавления, близкой к 4000 °C. Исследования, синтез и применение гипотетических смешанных карбидов гафния и тантала приобрели практический интерес из-за возможности повышения температуры плавления, что позволяет использовать их в экстремальных условиях. Кроме того, потенциально они могут использоваться в качестве каталитических материалов для электролиза воды.
Обычно синтез тугоплавких карбидов переходных металлов требует использования специфических методов спекания, изостатического прессования и других технологий, с необходимостью поддержания глубокого вакуума. Они являются дорогостоящими и ресурсоемкими.
Технология основана на генерации ускоренных импульсных потоков плазмы. Аналогичные технологии с середины 1960-х годов использовались в области аэрокосмических систем. Генерируемые гиперзвуковые потоки потенциально рассматривались в качестве источника электромагнитного движения в плазменных пушках и плазменных двигателях. Для решения практической задачи были предложены различные конструкции плазменных ускорителей. К концу XX века сфера их применения расширилась, затронув синтез функциональных материалов. Одну из таких технологий — плазмодинамический метод синтеза — ученые адаптировали для получения карбида гафния-тантала.
«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 пять километров в секунду. Все, что остается сделать, — это собрать конечный материал в виде порошка со стенок камеры-реактора», — комментирует соавтор исследования, доцент отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Дмитрий Никитин.
Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials (Q1; IF:18,8).
Фото: сайт ТПУ, Александр Квашнин/Сколтех