Что будет, если скрестить прочность керамики с пластичностью металла, а затем проапгрейдить это всё цирконием? А вот наши учёные не стали гадать и сделали это, получив материал, который не боится даже адского пламени. Как это может изменить наши самолёты, ракеты и электростанции?
При слове «керамика» обычно думаешь, ну, либо о маминой любимой чашке, либо модной сковородке с антипригарным покрытием. Может, кто-то вспомнит ещё про тормозные диски на спорткарах. В общем, это про что-то хрупкое или просто очень твёрдое. Но точно не материал, из которого можно делать лопатки турбин для сверхзвукового самолёта или детали космического корабля.
А зря.
ferra.ru
Потому что учёные из Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН и Института химии ФИЦ «Коми научный центр УрО РАН» недавно взяли и создали такую керамику, которая не плавится и не ломается.
MAX-фазы
Чтобы понять всю крутость открытия (и зачем оно надо), придётся на пару минут стать немного материаловедом.
Есть условно два типа материалов: металлы (прочные, пластичные, но при высоких температурах текут как пластилин) и керамика (твёрдая, жаропрочная, но хрупкая — уронил, и она треснула). И что делать? Правильно, создавать гибрид.
studfile.net
Такие гибриды в научном мире называют MAX-фазами. Если по-простому, это уникальное семейство соединений, которые совмещают в себе лучшее от двух миров: керамическую жаростойкость и почти металлическую прочность и обрабатываемость (что для керамики неслыханно).
И самый популярный из них — карбид кремния титана (Ti₃SiC₂). В нём слои прочного карбида перемежаются с более пластичными слоями кремния. Эта MAX-фаза и жару неплохо держит, и не рассыпается в пыль от случайного удара.
ferra.ru
Но и у карбид кремния титана есть свой потолок: при примерно 1200 °C начинаются заметные пластические деформации, материал начинает «плыть», то бишь уже не держит нагрузку как надо. Из-за этого его применение было сильно ограничено.
Впрочем, учёные давно теоретически предсказывали, что если в кристаллическую решетку этого материала встроить атомы другого тугоплавкого металла, например, циркония, то можно подтянуть его температурный порог. Но на практике это долго не удавалось сделать так, чтобы вообще всё не перестало работать как надо.
Испечь, но не смешивать
Наши исследователи решили не просто добавлять циркониевый порошок, а использовать интересный (и потенциально более дешёвый) метод — вакуумное карбосиликотермическое восстановление.
ИМЕТ РАН
Суть его проще, чем название: берутся не чистые металлы, а их оксиды (двуокись титана TiO₂ и двуокись циркония ZrO₂), смешиваются с кремнием и карбидом кремния, а затем всё это спекается методом горячего прессования.
В результате получился нужный материал уже с атомами циркония, встроенными прямо в кристаллическую решетку — так называемый твёрдый раствор (Ti₁₋ₓZrₓ)₃SiC₂. Было синтезировано два состава: с 10% (x=0.10) и 15% (x=0.15) циркония.
И вот когда их испытали, результаты оказались даже лучше ожидаемых.
Новая механика
А теперь — самая сочная часть, цифры. По сравнению с чистым аналогом, у нового материала с добавкой 15% циркония твёрдость по Виккерсу выросла почти вдвое: с 3,9 до 6,8 ГПа. Прочность на изгиб при комнатной температуре тоже подскочила — с 314 до 487 МПа. Но главный козырь — это, конечно, температура.
ferra.ru
Так вот, добавление циркония подняло планку перехода от хрупкого к пластическому до 1600 °C (что выше температуры плавления большинства сталей). Но и это не всё. Самое поразительное, что даже при этих 1600 градусах новый материал (с 15% циркония) сохранил 64% своей изначальной прочности.
Для материалов, которые работают в условиях 1200–1600 °C, такие показатели — настоящая заявка на практическое применение.
Где пригодится
Самый очевидное применение — газотурбинные двигатели (и авиационные, и индустриальные). В камере сгорания или на лопатках турбины материал работает при высоких температурах и под нагрузкой, при этом вес и долговечность критичны. Металлы в этих условиях либо надо охлаждать, либо делать их из суперсплавов — дорогих и тяжёлых. Обычная керамика жаропрочна, но легко ломается.
Лопатки газотурбинных двигателей, как правило, плавятся при температурах свыше 1400 °С
Wikimedia Commons
А вот MAX-фаза с улучшенной термостойкостью даёт компромисс. Более жаропрочные материалы — это возможность повышать температуру в камере сгорания. А чем выше температура, тем выше КПД двигателя, меньше расход топлива и выбросы.
В общем, такой материал хорош для энергетики, аэрокосмической техники и даже оборонки — везде, где требуется сочетание жаропрочности и долговечности.
А ещё само по себе легирование цирконием блестяще подтверждает концепцию апгрейда MAX-фаз: меняешь один элемент в кристаллической решётке — и получаешь материал с совершенно новыми свойствами. То, что было теорией и красивой идеей, наконец-то сбылось.
Элементы периодической таблицы Менделеева, которые взаимодействуют друг с другом, образуя MAX-фазы. Красные квадраты обозначают М-элементы (металлы); синие — элементы А (металл/неметалл); черные — X (углерод или азот)
Dr. Michel Barsoum
Что же до метода, то подход учёных гарантировал высочайшую чистоту конечного продукта с минимальными примесями. А это в материаловедении — альфа и омега. Именно так и добиваются результатов, которые можно не просто повторить в другой лаборатории, но и (что важнее) массово производить.
Уникальность нашей разработки в том, что это было предсказано теоретически, но не было получено на практике. Мы достигли рекордно высокой прочности на изгиб для материалов на основе MAX-фаз при температуре выше 1200°C.
Елена Истомина
ведущий научный сотрудник Института химии Федерального исследовательского центра «Коми научный центр УрО РАН»
Конечно, прежде чем внедрять материал, надо порешать пару вопросов. Понять, как материал ведёт себя в циклах нагрева-охлаждения, как он окисляется в продуктах сгорания топлива, как его можно вообще производить и интегрировать в существующие сборки.
Но сам факт — сдвиг BDTT (brittle-to-ductile transition temperature) в сторону 1600 °C и хорошая удерживаемость прочности при таких температурах — это очень круто.
Так что вот, керамика бывает разная
pinterest.com
По сути, эта разработка открывает дорогу к созданию целого нового класса материалов.
А там, глядишь, и полетим быстрее, и электричество подешевеет.
Такие дела.