Образец высокоэнтропийных боридов (© Фото предоставлено пресс-службой ТПУ)
Учёные Томского политехнического университета (ТПУ) совершили настоящий прорыв, успешно синтезировав новый вид сверхвысокотемпературной керамики — высокоэнтропийные бориды — в условиях открытого воздуха. Этот инновационный метод, впервые применённый в таких масштабах и подробно описанный в авторитетном International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, открывает широчайшие перспективы для аэрокосмической отрасли, ядерной энергетики и производства высокопрочных режущих инструментов.
Что такое высокоэнтропийные бориды?
Высокоэнтропийные бориды представляют собой передовой класс керамики, образованной соединениями различных металлов с бором. Эти материалы активно исследуются последние десять лет благодаря их уникальным свойствам: они способны выдерживать экстремально высокие температуры, превышающие 3000 °C, и обладают исключительной твёрдостью, а также высокой устойчивостью к коррозии и окислению. Благодаря таким характеристикам, высокоэнтропийные бориды идеально подходят для изготовления критически важных компонентов высокотемпературных двигателей, ядерных реакторов, промышленных печей и другого оборудования, работающего в агрессивных и экстремальных условиях.
Несмотря на колоссальный потенциал этих материалов, их массовое производство до недавнего времени оставалось нерешённой задачей. Традиционные методы синтеза боридов сопряжены с высокими затратами на специализированное дорогостоящее оборудование, необходимостью работы при экстремально высоких температурах в инертных средах для минимизации нежелательной химической активности, а также требуют значительных временных затрат.
Инновационный подход Томских политехников
Команда Лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли ТПУ разработала принципиально новый, более простой и доступный подход — безвакуумный электродуговой метод синтеза. Этот инновационный метод значительно упрощает производственный процесс, используя дуговой разряд постоянного тока, который позволяет достичь сверхвысоких температур всего за несколько секунд или минут.
Особенность и главное преимущество метода заключается в том, что в процессе дугового разряда самопроизвольно формируется автономная защитная газовая среда, состоящая из угарного и углекислого газов. Эта естественная атмосфера эффективно предотвращает окисление синтезируемого материала кислородом из окружающего воздуха. В результате, высокоэнтропийные бориды можно получать прямо на открытом воздухе, что устраняет потребность в дорогостоящем вакуумном или газовом оборудовании. Такой подход не только значительно упрощает технологию производства, но и существенно снижает энергозатраты, повышая общую эффективность и производительность.
На основе синтезированных высокоэнтропийных боридов исследователям удалось получить объёмные керамические образцы, демонстрирующие впечатляющую плотность до 96,5% и поразительную твёрдость в 28,8 гигапаскалей. Для сравнения, это в десять раз прочнее обычной стали.
По словам Арины Свинуховой, возможность изменения состава металлического борида позволяет целенаправленно регулировать его свойства, что является критически важным фактором при разработке материалов с заданными характеристиками для специфических применений. Она также подчеркнула, что по твёрдости полученные объёмные керамические образцы не только не уступают материалам, полученным из порошков другими методами, но в ряде случаев даже превосходят аналоги, описанные в мировой научной литературе.
В планах исследователей — дальнейшее изучение и синтез как уже известных, так и совершенно новых высокоэнтропийных боридов с разнообразными составами для расширения их прикладного потенциала.
Данное исследование было проведено при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ).
