Ученые из НИТУ «МИСиС» впервые получили уникальную MAX-фазу, в состав которой вошли ванадий и железо — элементы, нехарактерные для этого типа материалов.
Усовершенствованная формула придаст MAX-фазе усиленные магнитные характеристики. Созданный гибридный материал будет востребован в передовых областях спинтроники и микроэлектроники.
MAX-фазы представляют собой недавно предсказанный и экспериментально изученный (начиная с 2013 года) класс искусственных тугоплавких материалов. Эти материалы характеризуются необычным набором химических, физических, электрических и механических свойств, а также особенной слоистой структурой и уникальным сочетанием свойств, присущих как металлам, так и керамике. Они могут быть представлены общей формулой Mn+1AXn, где М — переходный металл, А — элемент IIIA или IVA подгруппы периодической системы, Х — углерод или азот.
Уникальное атомно-слоистое строение кристаллической решетки определяет специфический набор характеристик этих материалов. MAX-фазы сочетают в себе положительные качества металлов и керамики, проявляя эластичную жесткость, устойчивость к химическому воздействию, тепло- и электропроводность, небольшой удельный вес, высокий модуль упругости, низкий коэффициент теплового расширения, а также высокую тепло- и жаростойкость.
Материалы обладают относительно низкой твердостью и, как правило, легко обрабатываются, демонстрируя при этом стойкость к термическим воздействиям и повреждениям. Помимо этого, некоторые фазы МАХ отличаются устойчивостью к усталостному разрушению и окислению. При комнатной температуре они способны выдерживать сжатие до 1 ГПа, полностью восстанавливая свою форму после снятия нагрузки и рассеивая около 25 % механической энергии, подобно сжатию колоды карт. Повышение температуры приводит к изменению их поведения, характерным для которых становится переход от хрупкости к пластичности.
Исследования МАХ-фаз находятся на начальном этапе, и до сих пор не сформировано всестороннее представление об их общих магнитных свойствах. Известно, что магнитные характеристики этим атомно-слоистым материалам придают переходные металлы, введенные в их состав. Создание МАХ-фаз с использованием данных элементов представляет собой непростую научно-экспериментальную задачу, так как они не являются структурными компонентами этих материалов.
«Команда ученых впервые в мире синтезировала магнитную МАХ-фазу, содержащую железо, относящееся к поздним d-элементам. При этом концентрация железа достигла 10%, в то время как ранее в научной литературе сообщалось о возможности растворения только 0,3-0,5%, что вызывало сомнения из-за возможных погрешностей измерений. Разработка параметров синтеза позволила получить достаточно устойчивые магнитные МАХ-фазы, о чем рассказала Анна Позняк, руководитель проекта и научный сотрудник кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ «МИСиС».
«Она пояснила, что получение МАХ-фаз, содержащих железо, стало возможным благодаря многократным попыткам синтезировать материал методом плазменно-искрового спекания при разных температурных и временных режимах. В ходе этих попыток проводилось одновременное изучение фазового состава и структуры, определение предела растворимости, а также детальный анализ результатов эксперимента и выявление кинетики процессов спекания в сложных карбидных системах.
В настоящее время магнитные МАХ-фазы находят применение в самых разных областях, начиная от магнитного охлаждения и заканчивая современными спинэлектронными устройствами.
Благодаря своим уникальным свойствам, эти материалы открывают возможности для создания инновационных решений, в частности, в областях, требующих высокоэффективные двигатели, тепловые системы, способные выдерживать повреждения, а также повышение устойчивости к усталости и сохранение жесткости при высоких температурах. Их можно применять для изготовления особо прочных и термостойких огнеупоров, нагревательных элементов для печей, работающих при высоких температурах, покрытий для электрических контактов, а также устройств и механизмов для ядерной промышленности, предназначенных для эксплуатации в условиях интенсивного радиационного воздействия.