Российские ученые представили новый керамический материал с высокой прочностью и максимальной устойчивостью к окислению, на основе которого в перспективе можно создавать надежные защитные покрытия и детали для атомной, аэрокосмической и автомобильной промышленностей. Добавление титана и циркония позволило сделать базовый материал прочнее и повысить его стойкость к высокотемпературному окислению на 83%.
Усовершенствованные образцы лучше сопротивляются разрушению в экстремальной среде и наиболее эффективны при изготовлении элементов, где легкий вес имеет решающее значение. Исследование опубликовано в журнале Journal of the European Ceramic Society, сообщает пресс-служба НИТУ МИСИС.
Высокоэнтропийные материалы — это особый вид соединений, состоящий из нескольких разных элементов, обычно более пяти и смешанных в равных пропорциях. К ним относятся различные соединения, например оксиды, бориды, карбиды, нитриды и карбонитриды. Они обладают отличными механическими свойствами, устойчивостью к химическим воздействиям, нагреву, окислению и радиации, что делает их перспективным материалом для применения в современных технологиях.
«Наилучшими характеристиками по сравнению с другими видами керамики обладают высокоэнтропийные карбонитриды. Они прочные за счет небольшого размера зерен и особенной структуры, а также хорошо сопротивляются разрушающему воздействию тепла и кислорода. Тем не менее механизмы, контролирующие процессы их окисления, до сих пор остаются недостаточно изученными. Наша задача — детально исследовать их и предложить готовые решения для промышленности», — отметил Дмитрий Московских, директор НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСИС.
Чтобы улучшить стойкость материала к окислению, российские ученые добавили в состав тугоплавкие цирконий и титан. Комбинируя различные методы обработки, исследователи получили высокоэнтропийный карбонитрид (Hf,Ta,Nb,Zr,Ti)(C,N). Усовершенствованные образцы отличались высокой прочностью и плотностью. Добавки помогли значительно улучшить стойкость к высокотемпературному окислению: до модификации удельный прирост массы составлял 93 мг/см2, после добавления комбинации титана и циркониям он снизился на 83%. Введение азота в решетку высокоэнтропийного карбида снизило удельный прирост массы при окислении на 12%. Такие результаты подчеркивают потенциал материалов для применения в тех областях, где снижение веса имеет решающее значение.
«Добавки уплотнили оксидный слой, образующийся в процессе окисления, что усиливает его барьерную функцию и уменьшает количество дефектов. Более плотная структура защищает образцы от проникновения кислорода внутрь и, следовательно, предотвращает дальнейшее окисление. Улучшенные материалы могут выдерживать экстремальную температуру, что делает их перспективными для износостойких элементов, в том числе турбин и выхлопных систем, где термическая стабильность имеет решающее значение», — рассказала Вероника Суворова, научный сотрудник НИЦ «Конструкционные керамические материалы» НИТУ МИСИС.
Кроме того, добавление титана и циркония позволило повысить температуру окисления с 1005 °C до до 1240°C.
