В ИФПМ СО РАН получили термостойкие композиты с градиентной структурой

Уникальные слоисто-градиентные керамические композиты на основе оксида алюминия и карбида циркония, имеющих разные коэффициенты теплового расширения, создали специалисты Института физики прочности и материаловедения СО РАН, 28 апреля сообщает пресс-служба Томского научного центра СО РАН.

Разработанная томскими учеными композитная керамика может использоваться в среде с температурами до трех и более тысяч градусов, например, в качестве термоизоляционного или теплозащитного материала энергетических агрегатов.

Работы по созданию нового материала велись в рамках программы развития научного центра мирового уровня «Новые материалы специального назначения». Кроме ИФПМ СО РАН, в консорциум организаций — участников данного НЦМУ входят также Томский НИМЦ РАН и Севастопольский государственный университет. Координатором работ выступает Томский госуниверситет.

Результаты исследований разработанных слоисто-градиентных керамических композитов представлены в статье «Контроль трещиностойкости градиентно-слоистых керамических композитов ZrC-Al₂O₃» (Fracture toughness control of gradient layered ZrC-Al₂O₃ ceramic composites), опубликованной в журнале Materials Characterization.

Научный сотрудник лаборатории физической мезомеханики и неразрушающих методов контроля ИФПМ СО РАН кандидат физико-математических наук Алесь Буяков пояснил:

«Главной особенностью таких керамических композитов является их градиентная структура, которая обеспечивает плавное изменение свойств от одного слоя к другому. Материалы в этом случае наносятся послойно методом горячего прессования в вакууме: от чистого оксида алюминия постепенно переходя к чистому карбиду циркония, а между этими слоями располагаются промежуточные слои, состоящие из смеси обоих материалов в различных пропорциях».

Как уточнил ученый, поскольку у оксида алюминия и карбида циркония разные коэффициенты теплового расширения, то и процессы образования трещин в них различаются и протекают с разной скоростью. Так, в карбиде циркония при нагреве формируются сжимающие напряжения, тормозящие распространение трещин, а в оксиде алюминия создаются растягивающие напряжения, которые рост трещин ускоряют.

Томские ученые сумели подобрать такую структуру композита, которая позволила «в одну телегу впрячь коня и трепетную лань», найдя необходимый для этого баланс.

Эту структуру можно представить в виде палитры с постепенным переходом от одного цвета к другому. Исследователи тоже постепенно изменяли состав материала от одного слоя к другому, уменьшая концентрацию напряжений на границе раздела материалов. При этом снижались риски расслоения, образования трещин и дефектов. В ходе экспериментов они установили, что максимальная трещиностойкость таких композитов достигается при использовании пяти или шести слоев.

Алесь Буяков добавил, что в ходе исследований они выяснили — трещины, микросколы и другие повреждения, которые возникают в слоисто-градиентных керамических композитах при сильном нагреве, можно «залечивать», управляя их фазовым составом и компонентной структурой.

«Это происходит благодаря контролируемому взаимодействию материала с окружающими газами, в результате чего образуются новые фазы: оксидные, силикатные, боросиликатные, а также армированные структуры. Поверхностные дефекты заполняются ими и восстанавливаются, тем самым позволяя вернуть до 80% первоначальной прочности материала», — рассказал исследователь.

Новые уникальные высокотемпературные слоисто-градиентные керамические композиты могут использоваться для изготовления изделий с регулируемой электропроводностью и теплопроводностью, в том числе требующих химической стойкости к агрессивным средам. Такие свойства материала будут востребованы, например, в аэрокосмической отрасли, а также в электронике и энергетике.