Лабораторные образцы армированной керамики. Источник: пресс-служба ТПУ
Сотрудники Научно-образовательного инновационного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» Томского политеха работают над созданием армированной прозрачной керамики на основе алюмомагниевой шпинели для работы в экстремальных условиях. Подобные керамические материалы могут быть использованы в качестве прозрачной брони, иллюминаторов космических аппаратов, сканеров, в системах ночного видения.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (23-73-01241).
В настоящее время интенсивное развитие таких высокотехнологичных отраслей, как электроника, энергетика, аэрокосмическая и оборонная промышленность, требуют разработки новых оптических материалов. Они должны соответствовать ряду критериев, например, отличаться низкой стоимостью и обладать высокой химической, механической и радиационной стойкостью. По мнению исследователей, растущий дефицит таких материалов могла бы восполнить поликристаллическая прозрачная наноструктурированная керамика, которая обладает высокими оптическими характеристиками.
«Основное преимущество прозрачных керамических материалов перед традиционными оптическими материалами – это возможность варьирования тепловых, оптических, механических и прочностных свойств. При этом стоимость таких керамик достаточно низкая, а их производство относительно просто масштабировать. Поэтому разработка и оптимизация технологий синтеза и консолидации таких материалов являются особенно актуальными. Одним из наиболее перспективных прозрачных керамических материалов является алюмомагниевая шпинель (MgAl2O4, АМШ). Она может быть использована, например, в качестве прозрачной брони, инфракрасных окон для ракетных пусковых установок, окон космических аппаратов, сканеров, в системах ночного видения, а также как основа для сцинтилляционных и лазерных материалов», – говорит руководитель проекта, научный сотрудник Научно-образовательного инновационного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» Владимир Пайгин.
По словам ученого, широкий спектр применения керамики на основе MgAl2O4 обусловлен рядом ее характеристик – низким удельным весом, высокой твердостью и механической прочностью, коррозионной и термической стойкостью, химической инертностью и оптической прозрачностью для электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн (от ближней ультрафиолетовой до середины инфракрасной области). При этом данные характеристики можно корректировать различными способами, например, с помощью введения армирующих добавок, варьирования технологических условий консолидации, модификации поверхности путем внешних энергетических воздействий.
«Наиболее перспективным, на наш взгляд, методом для изготовления прозрачной керамики является электроимпульсное плазменное спекание (Spark plasma sintering, SPS). Он обеспечивает формирование совершенных межзеренных границ нанометровых масштабов в процессе консолидации высокочистых нанопорошков, при равномерном распределении плотности в объеме спекаемого материала, что позволяет получать высококачественные конкурентоспособные изделия, обладающие комплексом высоких оптических и прочностных свойств», – поясняет молодой ученый.
В рамках исследования в качестве армирующей добавки политехники используют нановолокна оксида алюминия (Al2O3). Грант РНФ рассчитан на два года. Уже получены первые лабораторные образцы прозрачной керамики на основе алюмомагниевой шпинели, армированной нановолокнами оксида алюминия в различной концентрации. На данный момент проводится исследование их физико-механических и оптических свойств.
«Будут исследованы закономерности связей количественных параметров процесса консолидации, оптического качества и содержания армирующей добавки с режимами электроимпульсного плазменного спекания и термической обработки. Будет проведено изучение кристаллической и вакансионной структуры синтезируемых материалов, оптических и прочностных свойств», – добавляет Владимир Пайгин.
В результате реализации проекта ученые рассчитывают разработать оптимальные способы повышения оптических и прочностных характеристик наноструктурированной прозрачной керамики на основе алюмомагниевой шпинели, армированной нановолокнами оксида алюминия.
«Наше исследование расширит возможности для изготовления прозрачных композиционных керамических материалов с заданными свойствами и позволит впервые в России получить новые прозрачные керамики на основе алюмомагниевой шпинели, армированной нановолокнами оксида алюминия, с заданными оптическими и улучшенными прочностными характеристиками для применения в оборонной и космической промышленности. Стоит отметить, что тематика нашей работы уже вызывает определенный интерес, например, недавно она была отмечена комитетом по присуждению молодежной премии РосСНИО «Надежда России» в области науки и техники как перспективная», – подытоживает молодой ученый.
Источник информации и фото: пресс-служба Томского политехнического университета