Ученые добились сверхбыстрого синтеза керамики с уникальными свойствами

Технологические приемы использования пучка быстрых электронов, обеспечивающие сверхскоростной синтез высокоэнтропийной керамики для нанесения термобарьерных покрытий на лопатки газотурбинных двигателей разработали ученые Томского политехнического университета (ТПУ) и Института ядерной физики (ИЯФ) им. Г. И. Будкера СО РАН, 20 февраля сообщает пресс-служба ИЯФ СО РАН. Новая технология помогла сибирским специалистам получить материал на основе оксидной керамики, обладающий уникальными прочностными и теплозащитными свойствами, что делает перспективным ее применение в самых различных областях, в электронике, ядерной физике, катализе, биомедицине и др. Работа, выполненная в рамках проекта РНФ «Высокоэнтропийные керамики, синтезированные методом нагрева быстрыми электронами на воздухе: механизм синтеза, микроструктура, свойства» № 23-79-00014, поможет производству термобарьерных покрытий конструкционных элементов газотурбинных двигателей самолетов. Синтез такой керамики был выполнен в ИЯФ СО РАН на промышленном ускорителе электронов — уникальной научной установке Стенд ЭЛВ-6, которая позволила изготовить материал с нужными характеристиками за несколько секунд. Подробности разработки нового метода синтеза были представлены в статье «Синтез высокоэнтропийной керамики (Y₀.₂Yb₀.₂Lu₀.₂Eu₀.₂Er₀.₂)₃Al₅O₁₂ методом электронно-лучевого нагрева» (Synthesis of high-entropy ceramics (Y₀.₂Yb₀.₂Lu₀.₂Eu₀.₂Er₀.₂)₃Al₅O₁₂ by electron beam heating), опубликованной в журнале Ceramics International. Синтез и спекание высокоэнтропийной керамики стали активно развивающимся направлением керамического материаловедения. Эти материалы представляют собой «твердый раствор» не менее пяти неорганических соединений. Их синтез приводит к созданию единого химического соединения с высокой энтропией, которая вызвана неупорядоченным расположение элементов в кристаллической решетке материала. Такое высокое значение этой термодинамической характеристики материала обеспечивает ему большую стабильность и устойчивость к внешним воздействиям. Ведущий научный сотрудник ТПУ доктор технических наук Сергей Гынгазов пояснил: «Конструирование новых видов керамики с высокой энтропией позволяет получать материалы с недостижимыми ранее свойствами. Сверхвысокая прочность, высокая теплостойкость, низкая теплопроводность, колоссальная диэлектрическая проницаемость, суперионная проводимость, сильный анизотропный коэффициент теплового расширения, сильное поглощение электромагнитных волн и т. д.». Такие свойства обеспечивают высокоэнтропийной керамике широту и перспективы использования во всех областях промышленности, инженерии и материаловедения, указал ученый. Технологии синтеза этой керамики, применяемые в настоящее время, очень времязатратны. Так, твердофазный синтез высокоэнтропийной керамики может занять десятки часов и состоять из множества дополнительных энергоемких этапов. «В этой связи, — добавил Сергей Гынгазов, — вопросы разработки эффективных малоэнергоемких технологий получения высокоэнтропийной керамики являются актуальной задачей современного материаловедения, и в России этому направлению уделяется большое внимание. ТПУ и ИЯФ выполняют совместную работу по реализации нестандартного подхода к синтезу подобной керамики — методами нагрева быстрыми электронами на воздухе на промышленном ускорителе». Он отметил, что на ускорителе электронов ИЯФ СО РАН процесс синтеза высокоэнтропийной керамики занимает всего несколько секунд. «Учитывая высокий КПД ускорителя (около 80%), можно говорить о сокращении на несколько порядков времени и энергетических затрат на операцию синтеза высокоэнтропийной керамики», — добавил Сергей Гынгазов. Так, на данном этапе экспериментов они затрачивали на синтез образцов керамики с уникальными прочностными и теплозащитными свойствами от 1 до 10 секунд. Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Михаил Голковский рассказал об использованном оборудовании: «УНУ Стенд ЭЛВ-6, на котором мы отрабатывали технологию синтеза, это уникальная установка, единственная в мире, где мощный непрерывный электронный пучок выпускается в атмосферу. Характеристики пучка — его диаметр на материале (1 см), облучаемая площадь варьируется за счет сканирования пучка по поверхности материала, плотность мощности в пучке (до 80 кВт на кв см) — позволяют нам синтезировать материал за 1 секунду». Исследователи отработали технологические режимы синтеза высокоэнтропийной керамики методом электронно-лучевой обработки и определили их влияние на технические характеристики получаемого материала. Сергей Гынгазов отметил достигнутые коллективом успехи: «Мы создали научные основы сверхскоростного синтеза оксидной высокоэнтропийной керамики, предназначенной для нанесения термобарьерных покрытий на конструкционные элементы, например, лопатки газотурбинных авиационных двигателей. Впервые не более чем за десять секунд были синтезированы образцы высокоэнтропийной керамики, содержащие редкоземельные оксиды. Именно они обуславливают приобретение покрытиями на ее основе уникальных прочностных и теплозащитных свойств». Разработчики электронно-лучевой технологии синтеза высокоэнтропийной керамики на ЭЛВ-6 считают, что такой синтез может стать основой технологии получения сверхсложных керамических материалов. В планах ученых дальнейшее совершенствование этой технологии и разработка электронно-лучевой технологии сверхскоростного синтеза самой популярной в мировой науке высокоэнтропийной керамики со структурой перовскита. «Эти материалы имеют огромные перспективы применения в промышленности для изготовления устройств преобразования солнечной энергии в электрическую», — указал Сергей Гынгазов. glavno.smi.today