В Университете МИСИС разработали новый керамический материал с высокой прочностью и максимальной стойкостью к окислению. Данный материал может быть использован для создания надежных защитных покрытий и деталей в атомной, аэрокосмической и автомобильной промышленности. Добавление титана и циркония позволило упрочнить базовый материал и повысить его стойкость к высокотемпературному окислению на 83%. Усовершенствованные образцы лучше сопротивляются разрушению в экстремальных условиях и наиболее эффективны при изготовлении элементов, где легкий вес имеет решающее значение.
Высокоэнтропийные материалы — это соединения из нескольких элементов (как минимум пять), смешанных равномерно. К ним относятся оксиды, бориды, карбиды, нитриды и карбонитриды. Такие материалы демонстрируют превосходные механические характеристики, устойчивость к химическим реагентам, нагреву, окислению и радиации.
Высокоэнтропийные карбонитриды превосходят другие виды керамики своими характеристиками. Прочность им придают малый размер зерен, особая структура, а также устойчивость к разрушающему воздействию тепла и кислорода. Несмотря на это, механизмы, контролирующие процессы окисления, до сих пор недостаточно изучены. Цель нашей работы – детальное исследование этих механизмов и предложение готовых решений для промышленности. — отметил к.т.н. Дмитрий МосковскихРуководитель НЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСИС.
Ученые НИТУ МИСИС добавили в состав тугоплавкие цирконий и титан для повышения устойчивости материала к окислению. Используя разные методы обработки, исследователи получили высокоэнтропийный карбонитрид (Hf,Ta,Nb,Zr,Ti)(C,N). Обретенные образцы обладали высокой прочностью и плотностью. Добавки значительно улучшили устойчивость к высокотемпературному окислению: до модификации удельный прирост массы составлял 93 мг/см². 2Добавление титана и циркония снизило удельный прирост массы при окислении на 83%. Введение азота в решетку высокоэнтропийного карбида снизило удельный прирост массы при окислении на 12%. Такие результаты демонстрируют потенциал материалов для применения в областях, где снижение веса является решающим фактором.
Добавки уплотнили слой окиси, образующийся при окислении, повысив его барьерные свойства и сократив количество дефектов. Более плотная структура защищает образцы от проникающего кислорода и предотвращает дальнейшее окисление. Обновлённые материалы выдерживают экстремальные температуры, что делает их перспективными для износостойких элементов, таких как турбины и выхлопные системы, где термическая стабильность играет ключевую роль. — рассказала к.т.н. Вероника СувороваВедущий научный сотрудник отдела конструкционных керамических материалов НИЦ при Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС».
Введение титана и циркония увеличило температуру окисления до 1240 °C, при исходной температуре в 1005 °C. Полноценные данные опубликованы в научном журнале. Journal of the European Ceramic Society (Q1).
Работа выполнена при финансовой помощи Российского научного фонда (гранты № 19-79-30025).
Пресс-служба НИТУ МИСИС предоставила информацию и фото.