Российские материаловеды разработали шесть новых составов высокоэнтропийной керамики, способной сохранять стабильность в условиях сильного нагрева, резких перепадов температуры и радиационного воздействия.
Разработку представили специалисты Уральского федерального университета совместно с учёными Института химии твёрдого тела УрО РАН и Института электрофизики УрО РАН.
Особенность новых материалов заключается не только в устойчивости к экстремальным условиям. Меняя состав керамики, исследователи могут управлять её теплофизическими, электрофизическими и структурными свойствами и подбирать характеристики под конкретные инженерные задачи.
Это открывает перспективы применения материала в авиационной и космической технике, энергетике и электронике.
Шесть составов вместо одного универсального материала
Высокоэнтропийные материалы представляют собой сложные системы, содержащие пять и более основных компонентов, которые формируют общий твёрдый раствор и единую кристаллическую структуру.
Именно большое количество компонентов позволяет исследователям изменять свойства материала, регулируя его состав.
Учёные УрФУ получили сразу шесть вариантов высокоэнтропийной керамики с различным сочетанием характеристик.
Это означает, что перед инженерами стоит не задача использовать один и тот же материал для всех условий, а возможность подобрать наиболее подходящий состав для конкретного изделия — например, теплозащитного покрытия, элемента электроники или детали, работающей при высоких температурах.
Температуры свыше 2000 градусов
Одним из наиболее интересных результатов исследований стала высокая термическая стабильность новой керамики.
По предварительным результатам визуального термического анализа, процесс плавления исследованных составов начинается примерно при 2050–2100 °C.
При этом сами исследователи подчёркивают: эти значения пока нельзя считать подтверждённой рабочей температурой материала. Для определения того, как долго керамика сможет сохранять необходимые свойства при экстремальном нагреве, потребуются дополнительные испытания.
Тем не менее уже полученные характеристики показывают большой потенциал разработки для систем, работающих в условиях серьёзной тепловой нагрузки.
Теплопроводность примерно на 40% ниже
Ещё одно важное преимущество новой российской керамики — низкая теплопроводность.
По данным исследователей, её показатель составляет примерно 1,5 Вт/(м·К). Для стабилизированного диоксида циркония, который широко применяется в современной промышленности и теплозащитных покрытиях, значение составляет около 2,5 Вт/(м·К).
Таким образом, теплопроводность новой керамики примерно на 40% ниже.
Для авиационной и космической техники это особенно важно: чем хуже материал проводит тепло, тем эффективнее он может защищать расположенные за ним конструкции и оборудование от нагрева.
Кроме того, коэффициент теплового расширения новой керамики хорошо сочетается с характеристиками металлов.
Это позволяет уменьшить разницу в деформациях между металлической основой и керамическим покрытием при резких изменениях температуры — одном из факторов, способных приводить к появлению трещин и разрушению защитных слоёв.
Керамика показала высокую радиационную стойкость
Отдельное направление испытаний было связано с воздействием радиации.
Исследования проводились совместно специалистами УрФУ, Института химии твёрдого тела УрО РАН и Института электрофизики УрО РАН.
По словам одного из авторов работы, инженера кафедры редких металлов и наноматериалов УрФУ Романа Бастрикова, все исследованные образцы показали высокую радиационную стойкость.
Для некоторых составов после облучения практически не наблюдалось структурных изменений.
Для сравнения, у стабилизированного оксида циркония при сопоставимых дозах облучения может происходить изменение структуры.
Сочетание радиационной стойкости, низкой теплопроводности и высокой температурной стабильности особенно интересно именно для космической техники, где материалы одновременно сталкиваются сразу с несколькими экстремальными факторами.
Где может применяться новая разработка
Исследователи рассматривают несколько потенциальных направлений применения новой керамики.
Одно из основных — теплозащитные покрытия для авиационной и космической техники.
Кроме того, материал потенциально может использоваться для создания:
подложек и изоляторов для бортовой электроники;
элементов, работающих в условиях повышенной радиации;
электролитов для твердооксидных топливных элементов;
высокотемпературных конструкционных компонентов;
отдельных элементов перспективных гиперзвуковых систем.
Пока речь идёт прежде всего о научно-технологической разработке. Для перехода к серийному промышленному применению материалам предстоит пройти дальнейшие испытания и адаптацию под реальные изделия.
Следующий этап — промышленное применение
Авторы разработки планируют продолжить исследования совместно с индустриальными партнёрами.
Одна из следующих задач — определить наиболее перспективные составы для конкретных областей применения и перейти к дальнейшей коммерциализации технологии.
Результаты исследований уже представлены в научных публикациях, посвящённых высокоэнтропийной керамике и материалам на основе диоксида циркония.
Для российской науки это хороший пример того, как фундаментальное материаловедение постепенно приближается к решению вполне конкретных инженерных задач — от защиты авиационных двигателей до создания элементов техники, способной работать в космосе.
Источники:
- Уральский федеральный университет / пресс-служба УрФУ.
Минобрнауки России. - Наука Mail — комментарий одного из авторов разработки Романа Бастрикова.
Journal of the European Ceramic Society — исследование высокоэнтропийной керамики.
От «Райского блога»: особенно интересно наблюдать за разработками, которые пока могут выглядеть как небольшой образец материала в лаборатории, но в перспективе способны стать частью самолётов, космических аппаратов и энергетических установок. Желаем уральским учёным довести технологию до реального промышленного применения и увидеть российскую керамику уже в составе серийной техники.
