Материаловеды Томского государственного университета впервые доказали возможность синтеза высокоэнтропийной керамики из системы Hf-Ti-FeV-Cr-N методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Исследователи предполагают, что благодаря высокой температуре плавления элементов такую керамику можно будет использовать для создания жаропрочных элементов в установках нефтедобывающей и аэрокосмической отраслях, газотурбинных установках. Результаты эксперимента опубликованы в высокорейтинговых журналах (Q1 и Q2). Исследования проводятся при поддержке гранта Российского научного фонда.
Ученые лаборатории нанотехнологий металлургии ТГУ первыми в мире получили высокоэнтропийный (сплав из 5 и более металлов) керамический материал из комбинации порошков редкоземельных металлов гафния, титана, железа, ванадия, хрома и неметалла – азота. Эксперимент проведен с помощью метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Затем методом рентгеноструктурного анализа ученые выяснили, что полученные продукты синтеза имеют гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру.
В последние десятилетия научные коллективы ищут различные комбинации элементов, которые могут улучшить физико-механические свойства высокоэнтропийного сплава. По словам материаловедов ТГУ, использованная ими комбинация металлов и азота для получения высокоэнтропийного сплава нигде им ранее не встречалась.
– Мне пришла мысль смешать редкоземельные металлы – гафний, титан и другие, которые при реакции выделяют много тепла. Мы предположили, что из такой цепочки сможем получить раствор с объемно-центрированной кубической или гранецентрированной кубической кристаллической структурой, свойственной высокоэнтропийным сплавам, – рассказывает заведующий лабораторией нанотехнологий металлургии ТГУ Илья Жуков. – При использовании метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза порошковая смесь сама быстро и послойно «сгорает» за счет реакций металлов друг с другом и взаимодействия с азотом в герметичном реакторе.
У титана и гафния похожий химический состав, а у железа, ванадия и хрома почти одинаковые атомные радиусы и электроотрицательность. Все эти металлы имеют высокотемпературную экзотермическую реакцию с азотом, при которой выделяется большое количество тепловой энергии, добавляет старший сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии ТГУ Николай Евсеев.
Сначала порошковая металлическая смесь прошла механическую активацию в планетарной мельнице в течение 120 минут. Затем ученые спрессовали порошки, сделали образцы диаметром 23 мм и массой 40 г и поместили их в реактор высокого давления, из которого удалили воздух и накачали азот чистотой 99,99 %. В качестве воспламеняющего слоя использовали титан. Горение происходило послойно и равномерно, что определило однородность состава продуктов синтеза. Следующим этапом работ станет изучение широкого спектра физико-механических свойств и установление взаимосвязей со структурой полученного материала.
Описание экспериментальных работ, результаты и выводы опубликованы в высокорейтинговых научных журналах Material Letters и Ceramics International, а также на платформе Springer Link.
В эксперименте участвуют сотрудники лаборатории нанотехнологий металлургии ТГУ Илья Жуков (заведующий лабораторией), старший научный сотрудник Николай Евсеев и аспиранты физико-технического факультета ТГУ Алексей Матвеев и Иван Бельчиков.
Для справки.
Лаборатория нанотехнологий металлургии Томского госуниверситета имеет многолетний опыт и широкие компетенции в сфере разработки и исследований новых материалов с повышенными механическими и эксплуатационными свойствами. Так, при поддержке РНФ в лаборатории разрабатывают новые способы 3D-печати с использованием металлов, металлокерамики и высокоэнергетических материалов. Фидстоки для 3D-принтеров, созданные материаловедами ТГУ, способны заменить зарубежные аналоги.
Запущенные в производство противовирусные и антибактериальные покрытия на основе наночастиц композиции «оксид цинка – серебро» (ZnO-Ag) производства лаборатории нанотехнологий металлургии ТГУ и ИФПМ СО РАН используются в консорциуме с компанией «Ярославские краски». Создание лакокрасочных материалов с биоцидными наночастицами реализуется в рамках стратегического проекта ТГУ «Технологии безопасности» при поддержке федеральной программы «Приоритет 2030».
Кроме того, молодые ученые лаборатории реализуют различные студенческие стартапы по грантовой поддержке федеральной «Платформы университетского технологического предпринимательства». Так, команда инженера-исследователя Яниса Верхошанского разрабатывает составы для аддитивного производства изделий из технической керамики методом проекционной стереолитографии.