Ученые и инженеры НИТУ МИСИС представили новый керамический
материал с высокой прочностью, и максимальной устойчивостью
к окислению, на основе которого в перспективе можно создавать
надежные защитные покрытия и детали для атомной, аэрокосмической
и автомобильной промышленности.
Добавление титана и циркония способствовало упрочнению базового
материала и повышению его стойкости к высокотемпературному окислению
на 83%. Усовершенствованные образцы лучше сопротивляются разрушению
в экстремальной среде и наиболее эффективны при изготовлении элементов,
где легкий вес имеет решающее значение.
Высокоэнтропийные материалы – это особый вид соединений,
состоящий из нескольких разных элементов, обычно более пяти
и смешанных в равных пропорциях. К ним относятся различные соединения,
например, оксиды, бориды, карбиды, нитриды и карбонитриды. Она обладает
отличными механическими свойствами, устойчивостью к химическим
воздействиям, нагреву, окислению и радиации, что делает её перспективным
материалом для применения в современных технологиях.
Дмитрий Московских, директор НИЦ «Конструкционные
керамические наноматериалы» НИТУ МИСИС рассказал:
«Наилучшими характеристиками по сравнению с другими видами
керамики обладают высокоэнтропийные карбонитриды. Они прочные за счет
небольшого размера зерен и особенной структуры, а также хорошо
сопротивляются разрушающему воздействию тепла и кислорода. Тем
не менее, механизмы, контролирующие процессы их окисления, до сих пор
остаются недостаточно изученными. Наша задача – детально исследовать
их и предложить готовые решения для промышленности».
Чтобы улучшить стойкость материала к окислению, ученые НИТУ
МИСИС добавили в состав тугоплавкие цирконий и титан. Комбинируя
различные методы обработки, исследователи получили высокоэнтропийный
карбонитрид (Hf,Ta,Nb,Zr,Ti)(C,N). Усовершенствованные образцы
отличались высокой прочностью и плотностью. Добавки помогли
значительно улучшить стойкость к высокотемпературному окислению:
до модификации удельный прирост массы составлял 93 мг/см2, после
добавления комбинации титана и циркониям он снизился на 83%. Введение
азота в решетку высокоэнтропийного карбида снизило удельный прирост
массы при окислении на 12%. Такие результаты подчеркивают потенциал
материалов для применения в тех областях, где снижение веса имеет
решающее значение.
Вероника Суворова, научный сотрудник НИЦ «Конструкционные
керамические материалы» НИТУ МИСИС отметила:
«Добавки уплотнили оксидный слой, образующийся в процессе
окисления. Это усиливает его барьерную функцию и уменьшает количество
дефектов. Более плотная структура защищает образцы от проникновения
кислорода внутрь и, следовательно, предотвращает дальнейшее окисление.
Улучшенные материалы могут выдерживать экстремальную температуру,
что делает их перспективными для износостойких элементов, в том числе
турбин и выхлопных систем, где термическая стабильность имеет решающее
значение».
Кроме того, добавление титана и циркония позволило повысить
температуру окисления с 1005 °C до до 1240°C. Подробные результаты
описаны в научном журнале Journal of the European Ceramic Society (Q1).
Исследование проведено при финансовой поддержке Российского
научного фонда (грант № 19-79-30025).
По сообщению пресс-службы НИТУ МИСИС