Команде молодых ученых из НИТУ «МИСиС» впервые удалось синтезировать уникальную MAX-фазу с включением элементов, нетипичных для этого класса веществ, — ванадия и железа.
Инновационный состав обеспечит MAX-фазе дополнительные магнитные свойства. Полученный гибридный материал найдет применение в суперсовременных спинтронике и микроэлектронике.
MAX-фаза — это новый, предсказанный и экспериментально исследованный (с 2013 года) искусственный класс тугоплавких материалов. Они обладают необычным сочетанием химических, физических, электрических и механических свойств, особой слоистой структурой и уникальным сочетанием наиболее востребованных свойств металла и керамики. Их можно описать общей формулой Mn+1AXn, где М — переходный металл, А — элемент IIIA или IVA подгруппы периодической системы, Х — углерод или азот.
Специфический набор свойств этих материалов обусловлен уникальным атомно-слоистым строением их кристаллической решетки. MAX-фазы обладают удивительными свойствами, комбинирующими достоинства металлов и керамики: демонстрируют так называемую эластичную жесткость, устойчивость к химическому воздействию, тепловую и электрическую проводимость, низкий удельный вес, высокий модуль упругости, низкий коэффициент теплового расширения, высокую тепло- и жаростойкость.
Эти материалы относительно мягкие, и большинство из них легко поддаются обработке, при этом они устойчивы к термическому удару и повреждениям. Кроме того, некоторые представители МАХ-фаз устойчивы к так называемому усталостному разрушению и окислению. При комнатной температуре их можно сжимать до 1 ГПа, при этом они способны полностью восстанавливаться при снятии нагрузки, рассеивая примерно 25 % механической энергии — по принципу сжатия карточной колоды. При более высоких температурах для этих материалов типичен переход от хрупкого к пластическому поведению.
Сфера исследований МАХ-фаз сейчас в стартовом состоянии, пока не существует полного понимания общих магнитных характеристик этих атомно-слоистых материалов. Однако известно, что магнитные свойства материалам сообщают поздние переходные металлы. Синтез МАХ-фаз с включением этих элементов — особенно сложная научно-экспериментальная задача, поскольку они не являются образующими для структуры данных материалов.
«Нашему коллективу удалось впервые в мире получить магнитную МАХ-фазу с железом, являющимся поздним d-элементом. Растворимость железа при этом составила 10%, до этого в литературе указывалась возможность растворения только 0,3-0,5%, что было в пределах погрешности эксперимента и не внушало доверия. Мы нашли параметры синтеза, которые позволяют получить достаточно стабильные магнитные МАХ-фазы», — рассказала руководитель проекта Анна Позняк, научный сотрудник кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ «МИСиС».
«Получение МАХ-фаз с включением в их структуру железа стало возможным благодаря многократным попыткам синтеза материала при различных температурно-временных параметрах плазменно-искровым спеканием, с одновременным изучением фазового состава, структуры и определением предела растворимости, детальным анализом результатов эксперимента и выявлением кинетики процессов спекания в сложных карбидных системах», — пояснила она.
Потенциальные области применения магнитных МАХ-фаз варьируются в настоящее время от магнитного охлаждения до новейших спинэлектронных приборов и устройств.
Свойства этих уникальных материалов позволяют создавать принципиально новые направления использования, например, в технологиях, включающих высокоэффективные двигатели, устойчивые к повреждениям тепловые системы, повышающие усталостную стойкость и удержание жесткости при высоких температурах. Они могут использоваться для производства особо жестких и термостойких огнеупоров, высокотемпературных нагревательных элементов (спирали печей), покрытий для электрических контактов, устройств и механизмов ядерной промышленности, устойчивых к жесткой радиации.
