Учёные Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» разработали новый композиционный материал, который подходит для работы в экстремальных температурных режимах, например, в атомных реакторах. Прочность материала возросла на 200% по сравнению с прочностью его отдельных составляющих.
Подобные качества сохраняются даже при нагревании до температуры 700 градусов по Цельсию. Работа была представлена в журнале «Materials Letters».
Для разработки нового поколения атомных реакторов на быстрых нейтронах нужны новые материалы для конструкции. Сталь, рассматриваемая для оболочек тепловыделяющих элементов, не способна выдержать необходимый нагрев (550-700 °C).
Новый способ получения прочных материалов – создание композитов при интенсивной пластической деформации. Эта деформация происходит в специальных установках под высоким давлением, и результат – материал с большей механической прочностью по сравнению со всеми его компонентами в отдельности.
В результате материал приобретает мелкозернистую нанокристаллическую структуру, которая при нагревании склонна к росту зерен (комков с малой прочностью). Подобные материалы имеют низкую термическую стабильность и теряют полученную прочность под действием высоких температур.
В лаборатории «Гибридные наноструктурные материалы» НИТУ «МИСиС» ученые разработали способ увеличения прочности и температурной стабильности композитного материала. Для этого применялся метод пластической деформации – кручение под высоким давлением, при котором образовалась слоистая структура из стальных слоев с ванадиевым сплавом в центре.
Из стальных листов толщиной 0,5 и 0,3 мм был создан образец с прослойкой из ванадиевого сплава (0,2 мм). Общая толщина образца достигла 1 мм. При кручении под высоким давлением образец принимает форму диска, который помещается между двумя бойками с плоскими основаниями и сжимается под давлением несколько ГПа.
Вращающийся нижний боек создает силы поверхностного трения, которые деформируют образец сдвигом. В итоге образовалась тонкая многослойная структура, — говорит руководитель исследования, старший научный сотрудник «Гибридные наноструктурные материалы» НИТУ «МИСиС», кандидат технических наук Станислав Рогачев.
Анализ полученного образца установил, что прочность «сэндвича» после обработки под высоким давлением увеличилась в три раза по сравнению с прочностью каждого из исходных компонентов. Благодаря образовавшейся слоистой структуре материал способен выдерживать нагрев до 700°С.
Впервые получен композитный наноструктурный материал-сэндвич с высокой термической стабильностью. Такой материал перспективен для использования в высоких технологиях, например, в атомной энергетике.
Исследователи собираются продолжить опыты по большому пластическому изменению металлических композитов. Команда изучит комбинации стали с цирконием, медью и алюминием.
