Специалисты НИТУ «МИСиС» разработали новый композиционный материал, который может применяться в условиях экстремальных температур, таких как атомные реакторы. Его прочность в три раза выше, чем у составляющих его элементов.
При нагревании до 700°С эти характеристики сохраняются. О результатах исследования сообщается в журнале Materials Letters.
Разработка реакторов на быстрых нейтронах нового поколения требует применения новых конструкционных материалов, поскольку сталь, рассматриваемая для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов, не может обеспечить достаточную прочность при рабочих температурах в диапазоне 550-700°C.
Для повышения прочности материалов разрабатываются новые технологии, основанные на создании композитов посредством интенсивной пластической деформации – деформации, осуществляемой в специализированном оборудовании под воздействием высокого давления. В результате формируется материал, который демонстрирует значительно большую механическую прочность, чем каждый из исходных компонентов, входящих в его состав).
В итоге в материале формируется более мелкодисперсная, нанокристаллическая структура, подверженная росту зерна (образованию «комков» с пониженной прочностью) при нагревании. Следовательно, такие материалы характеризуются невысокой термической стабильностью и теряют приобретенную прочность под воздействием высоких температур.
Специалисты лаборатории «Гибридные наноструктурные материалы» НИТУ «МИСиС» разработали способ одновременного улучшения прочности и температурной устойчивости композиционного материала. Для достижения этой цели был применен метод пластической деформации – кручение под высоким давлением, что позволило сформировать уникальную слоистую структуру, состоящую из слоев стали с ванадиевым сплавом.
«Образец был изготовлен путем последовательного нанесения слоев стали толщиной 0,5 и 0,3 мм, с прокладкой из ванадиевого сплава толщиной 0,2 мм между ними. Общая толщина образца составила 1 мм. При проведении кручения под высоким давлением образец принимает форму диска, который располагается между двумя бойками с плоскими основаниями и подвергается сжатию под воздействием давления в несколько ГПа.
Вращение нижнего бойка приводит к деформации образца за счет сил поверхностного трения, что позволяет получить тонкую многослойную структуру. Об этом сообщил руководитель исследования, старший научный сотрудник лаборатории «Гибридные наноструктурные материалы» НИТУ «МИСиС», кандидат технических наук Станислав Рогачев.
Анализ образца выявил значительное повышение прочности «сэндвича» после воздействия высокого давления – она увеличилась в три раза по сравнению с прочностью каждого из составляющих его элементов. Кроме того, благодаря созданной слоистой структуре, полученный материал способен сохранять свои свойства при нагревании до 700°С.
Впервые разработан композитный наноструктурный материал-сэндвич, демонстрирующий высокую термическую стабильность. Этот материал представляет интерес для применения в различных высокотехнологичных сферах, включая атомную энергетику, о которой говорилось ранее.
Ученые заявляют о намерении продолжить исследования, посвященные значительной пластической деформации металлических композитов. В рамках этих работ планируется изучить сочетания стали с цирконием, медью и алюминием.