Ученые узнали, как повысить устойчивость композитной керамики к окислению
Добавка оксида лантана в состав композитной ультравысокотемпературной керамики системы «диборид циркония — карбид кремния» повышает ее устойчивость к окислению, установили исследователи Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ). Об этом 26 октября сообщила пресс-служба вуза.
Материалы, устойчивые к агрессивной среде с воздействием кислорода и высоких температур, необходимы для обшивки космических аппаратов, крыльев авиационной техники, деталей воздушно-реактивных и ракетных двигателей.
Различные виды композитной ультравысокотемпературной керамики, которую используют в таких случаях, выдерживают температуру выше 2000 °C. Различные добавки, которые обычно вводят в состав такой керамики, создают на ее поверхности слой с защитными свойствами.
Исследование, проведенное учеными ПНИПУ, показало, что добавление оксида лантана в состав композитной керамики на основе диборида циркония повышает ее устойчивость к окислению.
Результаты исследования ученые представили в статье «Высокотемпературное окисление керамического материала ZrB₂-SiC — La₂O₃, полученного методом искрового плазменного спекания», опубликованной в журнале «Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия», 2023.
Для определения воздействия добавок на характеристики такой керамики эксперименты проводились на образцах без добавки и с добавкой оксида лантана в различной концентрации.
Порошки, смешанные в мельнице, далее подвергались искровому плазменному спеканию при давлении 30 МПа и температуре 1700 °C. Скорость нагрева повышалась ступенчато — на 50 градусов в минуту с изотермической выдержкой в 5 минут. Давление на материал подавалось перед началом нагрева и снималось только после его окончания.
Полученный в результате материал исследовался на определение отношения массы материала ко всему занимаемому им объему и открытую пористость (объем пор, сообщающихся между собой) спеченных образцов.
Пористость является негативной характеристикой керамики, снижающей ее прочность и стойкость к окислению, однако было установлено, что добавление оксида лантана повышения пористости не вызывает.
Проверку на устойчивость к окислению проводили на воздухе в специальной электропечи. С этой целью образцы в тиглях помещали на определенное время в нагретую до 1200 °C печь, после чего доставали, взвешивали для определения массы и снова помещали в печь. Этот эксперимент продолжался в течение 20 часов.
Далее было проведено исследование структуры и состава образцов. Был выполнен их микроскопический анализ с целью выявления изменений состава их поверхностного слоя в зависимости от различных по процентному составу добавок оксида лантана.
Образцы без добавки содержали практически только оксиды кремния с примесью оксидов бора и циркония, тогда как образцы с добавкой содержали диоксид циркония и циркон, который гораздо более устойчив к резкому повышению или понижению температуры (теплоудару).
Профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ доктор технических наук Светлана Порозова пояснила итоги экспериментов:
«Стойкость к высокотемпературному окислению композитной керамики на основе диборида циркония во многом зависит от состава защитного слоя на ее поверхности. Применение оксида лантана усиливает процесс формирования циркона и способствует замедлению процесса окисления».
Полученные политехниками результаты будут востребованы на производствах, где активно используют ультравысокотемпературную керамику. Например, в авиа- и ракетостроении, металлообработке, атомной и химической промышленности и других.
Ученые пермского Политеха продолжают исследования в области получения улучшенных керамических материалов и покрытий.
