Interfax-Russia.ru - Сибирские ученые первыми в мире получили керамику из новой композиции металлов.
Ученые Томского государственного университета (ТГУ) первыми в мире получили высокоэнтропийный (сплав из пяти и более металлов) керамический материал из комбинации порошков редкоземельных металлов гафния, титана, железа, ванадия, хрома, а также азота. Результаты научной работы опубликованы в научных журналах Material Letters и Ceramics International, а также на платформе Springer Link.
"Эксперимент проведен с помощью метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС, англ. self-propagating high-temperature synthesis (SHS). Полученные продукты синтеза имеют гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру", - сообщила пресс-служба ТГУ.
Идея смешать редкоземельные металлы с азотом, чтобы получить высокоэнтропийный сплав, принадлежит завлабораторией нанотехнологий металлургии ТГУ Илье Жукову.
"Мы предположили, что из такой цепочки сможем получить раствор с объемно-центрированной кубической или гранецентрированной кубической кристаллической структурой, свойственной высокоэнтропийным сплавам. 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", - рассказал ученый.
У титана и гафния похожий химический состав, а у железа, ванадия и хрома почти одинаковые атомные радиусы и электроотрицательность. Все эти металлы, как в свою очередь пояснил старший сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии ТГУ Николай Евсеев, имеют высокотемпературную экзотермическую реакцию с азотом, при которой выделяется большое количество тепловой энергии.
Сначала порошковая металлическая смесь прошла механическую активацию в планетарной мельнице в течение 2 часов. Затем ученые спрессовали порошки, сделали образцы 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", - уточнили в пресс-службе вуза.
Исследователи предполагают, что получившуюся керамику можно использовать для создания жаропрочных элементов в установках нефтедобывающей и аэрокосмической отраслях, газотурбинных установках.
Еще один проект, над которым сейчас работают в лаборатории нанотехнологий металлургии ТГУ, касается создания специальной установки и составов для 3D-печати изделий на основе технической керамики.
"Для аддитивного формования изделий из технической керамики специалисты решили применить технологию стереолитографии, которая заключается в послойном отверждении с заданной геометрией. Исходным материалом для производства изделий по такой технологии является жидкая суспензия, наполненная керамическим порошковым материалом, например, оксидом алюминия, которая полимеризуется под воздействием УФ-излучения", - уточнили в ТГУ.
Как полагает автор проекта, инженер-исследователь лаборатории нанотехнологий металлургии ТГУ Янис Верхошанский, технология стереолитографии – одна из наиболее перспективных, так как обеспечивает высокую точность печати.
"Сегодня изготовление изделий из технической керамики ограничено стандартными технологическими подходами. Из-за этого часть рынка остается неохваченной: это рынок персонифицированных, сложнопрофильных, прецизионных (произведенных с очень высокой точностью и соответствующих конкретным требованиям) изделий, которые нужны штучно и в небольших количествах. При этом они обладают высокой добавочной стоимостью. Эту проблему может решить аддитивный технологический подход, предложенный нашей командой", - сказал он.
По его словам, в настоящее время молодые ученые вместе с компанией-партнером стартапа - ООО "Комплексные стратегические решения" – собирают установку для 3D-печати. С ее помощью специалисты смогут в лабораторных условиях подобрать составы и режимы для 3D-печати керамики.
"Следующий этап – опытные испытания образцов реальных изделий, полученных по разработанной технологии, затем в планах молодых ученых – коммерциализация результатов", - уточнили в ТГУ.
По данным университета, спектр потенциального промышленного применения такой продукции очень широк – от сложнопрофильных медицинских изделий до корпусов электронных микросхем.
Вместе с тем, ученые Томского госуниверситета вместе с коллегами из Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) разработали новую технологию производства фидстоков (термопластичных гранулированных материалов) с использованием керамических и металлических порошков, которые можно применять в 3D-печати.
"Это готовое решение для заказчика, и ему не придется придумывать свое. Можно было вместо этого из гранул делать нить, но это дополнительный и более затратный этап, и мы от него отказались, в том числе, в пользу качества изделий. Еще одно преимущество разработанного нами способа – отсутствие термических напряжений, которые негативно влияют на металл", - рассказал один из разработчиков технологии, сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии ТГУ Никита Торопков.
По его словам, для научных исследований специалисты разрабатывают несколько материалов, и часть из них уже могут стать коммерческим продуктом.
"Это самые отработанные и ходовые, где мы знаем все режимы и этапы работы с ними", - сказал он.
Как отметили в ТГУ, PIM-технологией (powder injection molding) – производством деталей из порошковых материалов методом литья под давлением – занимаются многие компании в мире, а вот соединением металлов и полимеров – единицы. В их числе фирма BASF, крупнейший мировой производитель, прекративший в настоящее время поставки в Россию своего фидстока catamould. Разработки же томских ученых помогут заполнить освободившуюся нишу.
"В 2025 году продолжим модернизацию электростанций"