Российские ученые оптимизировали синтез высокоэнтропийных карбидов
Оптимизацию синтеза пятикомпонентного карбида — соединения углерода и пяти переходных металлов — перспективного для промышленного применения, выполнили исследователи Томского политехнического университета (ТПУ), Сколтеха и РНИМУ им. Пирогова, 26 января сообщает пресс-служба ТПУ.
Оптимизация была выполнена с учетом фундаментальных теоретических принципов, численного моделирования и машинного обучения. Коллектив ученых с помощью разработанной модели определил условия управляемого синтеза однофазного карбида (вещества, где все атомы металлов равномерно распределены по объему кристалла) и проверила их экспериментально, используя экономичный безвакуумный электродуговой метод синтеза.
Результаты исследования нового метода разработчики представили в статье «Синтез высокоэнтропийного карбида TiZrNbHfTaC5 на основе машинного обучения», опубликованной в журнале npj Computational Materials (Q1, IF 14,3).
Высокоэнтропийные карбиды (ВЭК) представляют собой эквимолярный (когда все компоненты взяты в равных долях) многокомпонентный однофазный твердый раствор пяти и более карбидов переходных металлов IV и V групп с кубической кристаллической решеткой типа NaCl.
Стабилизация ВЭК во многом определяется конфигурационной энтропией (энтропия смешивания), величина которой должна быть не менее 1,5R (где R — универсальная газовая постоянная). Это означает, что в составе композита должно быть не менее пяти основных элементов.
Такие материалы отличаются уникальными механическими свойствами, тугоплавкостью и низкой теплопроводностью, значительно превосходя бинарные соединения карбидов по твердости, трещиностокойсти и температурной стабильности.
В настоящее время синтез высокоэнтропийных карбидов традиционно ведется методом реакционного искрового плазменного спекания гомогенизированного сырья на основе индивидуальных карбидов металлов, чистых металлов или оксидов металлов.
Такое спекание обычно производится в течение 10–15 мин при температуре порядка 2200–2300 °C и давлении 10–60 Мпа. Однако на гомогенизацию сырья может потребоваться более одного дня.
Метод безвакуумного электродугового синтеза ВЭК, который предложили исследователи, не требует сложного дорогостоящего и энергоемкого оборудования, такого как вакуумные насосы и прессы для создания давления.
Заведующий Лабораторией перспективных материалов энергетической отрасли, руководитель стратегического проекта ТПУ «Энергия будущего» кандидат технических наук Александр Пак пояснил:
«На нашей установке порошок высокоэнтропийного карбида синтезируется без применения давлений и вакуума, в чем и заключается уникальность установки. Кроме того, мы можем гибко варьировать параметры синтеза, чтобы получать как многофазные образцы, так и однофазные».
Поскольку высокоэнтропийные карбиды представляют относительно новый класс материалов, ученым еще предстоит определить фактические свойства материала и области его использования в качестве тугоплавкой керамики, катализаторов различного назначения и для других применений.
Исследователи с помощью разработанной модели и ее машинного обучения определили температурные условия образования однофазных и многофазных образцов.
Согласно проведенным расчетам, при низкой температуре синтеза происходит образование в основном многокомпонентных ВЭК, в которых сосуществуют две и более различные фазы многокомпонентных карбидов, но при 1500 °C и выше будет происходить синтез однофазных ВЭК.
Аспирант группы по применению искусственного интеллекта для материаловедения Сколтеха Вадим Сотсков рассказал о проделанной исследователями работе:
«Метод канонического Монте-Карло позволил нам предсказать термодинамически стабильную кристаллическую структуру ВЭК при различных температурах синтеза, в результате чего была определена температура перехода многофазного ВЭК в однофазный. Наши данные моделирования были использованы для проведения экспериментов при температурах ниже температуры перехода и выше. Результаты эксперимента подтвердили полученные нами данные моделирования. Таким образом, мы смогли реализовать единую исследовательскую цепочку от компьютерной модели до реального образца».
