Ученые МИСИС создали универсальную боридную керамику нового поколения
Более прочную боридную керамику создали методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) ученые Национального исследовательского технологического университета «МИСИС» (НИТУ «МИСИС»), 10 октября сообщает пресс-служба вуза.
Композит, созданный в рамках проекта «Самораспространяющийся высокотемпературный синтез новых керамических материалов на основе MAB-фаз», обладает как металлоподобными, так и керамоподобными свойствами: высокой электро- и теплопроводностью, а также устойчивостью к воздействию высоких температур и агрессивных химикатов.
Такие качества нового материала делают его перспективным для использования в авиа-, приборо- и машиностроении. Предложенная технология получения композита экономически подходит для его промышленного производства.
Заведующий кафедрой порошковой металлургии и функциональных покрытий, директор Научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (НУЦ СВС) МИСИС-ИСМАН, профессор, д. т. н. Евгений Левашов рассказал о разработке:
«Работы в этом направлении ранее в России не проводились. Учитывая сравнительно низкую себестоимость боридной керамики Fe₂AlB₂ и высокую производительность метода СВС, новый материал может применяться в системах магнитного охлаждения и аккумулирования энергии, а также в технике криогенных (ниже 120 K) температур».
При этом полученные характеристики композита в основном сопоставимы с мировыми, а по ряду показателей он даже опережает аналогичные зарубежные разработки, отметил ученый.
Подобные композиты со слоистой кристаллической структурой обычно используют в производстве электронных компонентов, конструкционных материалов, термобарьерных покрытий, имплантатов и протезов. Среди них наиболее известные атомно-слоистые соединения — так называемые МАХ-фазы.
Здесь M — это переходный металл (например, титан, цирконий, ниобий или ванадий); A — элемент IIIA или IVA подгруппы периодической системы (например, кремний, германий, алюминий, сера или олово); X — углерод или азот.
«Структура МАХ-фаз представляет собой слоистую кристаллическую решетку, где слои атомов различных элементов чередуются друг с другом, — пояснил старший научный сотрудник НУЦ СВС МИСИС-ИСМАН к. т. н. Артём Потанин. — Это свойство наделяет их высокой прочностью и устойчивостью к механическим повреждениям. Схожей структурой обладает группа материалов на основе MAB-фаз — бориды металлов».
Однако состав MAB-фаз немного другой: M — тоже переходный металл (например, молибден, хром, железо или марганец); A — алюминий или цинк; B — бор. Структура нанослоистых MAB-фаз представляет собой подрешетки боридных блоков, которые чередуются с монослоем или двойным слоем атомов A-металла. Такой материал объединяет в себе лучшие свойства металлов и керамики — высокую электро- и теплопроводность и устойчивость к агрессивной среде.
Для получения новой боридной керамики на основе MAB-фаз исследователи НИТУ «МИСИС» применили самораспространяющийся высокотемпературный синтез, который заключается в быстрой экзотермической реакции между исходными порошковыми компонентами с получением твердых конечных продуктов.
Ученые синтезировали этим методом компактные образцы керамики со слоистой структурой системы железо-алюминий-бор (Fe₂AlB₂). Такой материал меняет свою температуру под воздействием магнитного поля, а также обладает повышенными значениями твердости и прочности на изгиб, которые обеспечивает сочетание в нем низкой остаточной пористости и мелкозернистой структуры.
Подробности получения и исследования такой керамики ученые представили в статье «Зарождение и рост MAB-фазы Fe₂AlB₂ в волне горения механоактивированных реакционных смесей Fe-Al-B» (Nucleation and growth of the Fe₂AlB₂ MAB phase in the combustion wave of mechanically activated Fe-Al-B reaction mixtures), опубликованной в журнале Ceramics International (Q1).
А также в статье «Изготовление высокопрочной магнитокалорической керамики на основе MAB-фазы Fe₂AlB₂ методом синтеза при горении и горячем прессовании» (Fabrication of high-strength magnetocaloric Fe₂AlB₂ MAB phase ceramics via combustion synthesis and hot pressing, опубликованной в журнале Materialia (Q2).
Использоваться новые материалы на основе MAB-фаз могут, в том числе, как термобарьерные покрытия в высокотемпературных средах для защиты других материалов от теплового удара и окисления; как катализаторы синтеза аммиака; как поглотители нейтронов в ядерных реакторах или высокочастотных волн в электротехнических приборах.
