Инновация из Томска: Прорыв в мире высоких температур
Томский политехнический университет вновь радует нас своими научными открытиями. На этот раз ученые из Сибири решили потягаться с законами физики, предложив оптимизацию высокоэнтропийных керамических покрытий, которые, как ожидается, смогут выдерживать экстремальные температуры и агрессивные среды в авиационной и аэрокосмической технике. Чудо-материал будущего? Посмотрим.
Основу инновации составляют карбиды гафния и циркония, представляющие собой нечто вроде супергероев среди материалов. Они обладают уникальными термомеханическими свойствами и химической стабильностью, что, как известно, крайне важно для работы в условиях, где термометры стыдливо прячут свои стрелки. Однако, как и у любого супергероя, у этих материалов есть свое «криптонитовое» ограничение: предрасположенность к катастрофическому окислению при температурах выше 500 °C. И вот тут на сцену выходит легирование, с целью создать плотные, самовосстанавливающиеся оксидные пленки. Но, как всегда, легирование не без греха — оно может ухудшать основные свойства материала.
Ученые решили пойти другим путем — через энтропийную стабилизацию многокомпонентных карбидов. Этот метод обещает чудеса в виде синергетического «эффекта коктейля», объединяющего преимущества всех компонентов. Энтропийная стабилизация, как утверждают исследователи, не только улучшает окислительную устойчивость, но и сохраняет структурную целостность материала, даже если на улице внезапно станет жарче, чем в сердце вулкана.
В Томске активно работают над созданием многослойных покрытий, которые позволят значительно расширить температурный диапазон их применения. Ранее уже были синтезированы покрытия на основе оксидов гафния, циркония, церия и иттрия. Магнетронное напыление — вот та магия, которая позволила ученым продвинуться на этом пути. Теперь же на очереди синтез и исследование свойств высокоэнтропийных материалов на основе карбидов.
Тонкопленочные высокоэнтропийные покрытия вызывают особый интерес, ведь они могут стать промежуточными слоями между традиционными термобарьерными покрытиями и термостойкими подложками. Этот подход сулит прекрасные перспективы для будущего, когда сверхвысокие температуры станут не испытанием, а привычной рабочей средой.
Как рассказал один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Сергей Зенкин, существующие исследования в основном сосредоточены на легировании карбида циркония и карбида гафния танталом, ниобием и титаном. Потенциал легирования алюминием и хромом пока остается загадкой. В новом исследовании был синтезирован высокоэнтропийный сплав, который преодолевает структурную несовместимость карбидов и эффективно подавляет фазовую сегрегацию.
В ходе экспериментов ученые осаждали смеси на подложки методом магнетронного напыления, и испытания показали, что новые высокоэнтропийные покрытия проявляют стойкость к окислению в 20 раз лучше, чем ранее известные материалы. В настоящее время исследования продолжаются, и ученые изучают термические и механические характеристики новых систем.
