Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) вместе с коллегами получили новые слоистые металлокерамические композиты с улучшенными механическими и термическими свойствами. Подобные материалы на основе прекерамической бумаги в будущем могут быть перспективны для использования в аэрокосмической и транспортной промышленности.
В настоящее время активное развитие техники требует материалов, устойчивых к высоким температурам, коррозии и механическим нагрузкам. Большинство известных металлов и сплавов, например, сплавы на основе никеля, широко используемые в различных деталях газотурбинных двигателей, достигли своих пределов для различных высокотемпературных применений. Перспективными, по мнению ученых, являются композиты на основе керамики, демонстрирующие более высокую стойкость к окислению при высоких температурах и улучшенные механические свойства.
В лаборатории перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем Томского политеха, созданной в рамках национального проекта «Наука и университеты», развивают направление по производству прекерамических бумаг. Это — перспективный для изготовления широкого спектра изделий композиционный материал, состоящий из целлюлозных волокон, наполнителя и удерживающих добавок. Чтобы улучшить свойства композитов, ученые предложили новый подход — формирование многоуровневых структур, состоящих из слоев прекерамической бумаги и фольги тугоплавких металлов. Это так называемые МАХ-фазы — материалы, которые одновременно обладают свойствами керамики и металлов.
«MAX-фазы — это относительно новый класс нанослоистых керамик. Благодаря своей уникальной кристаллографической структуре большинство MAX-фаз сочетают в себе преимущества керамики (низкую плотность, коррозионную стойкость и другие) и металлов (стойкость к повреждениям, механическую обрабатываемость, тепло/электропроводность). Однако, одновременно, одной из проблем разработки новых композиционных материалов на основе МАХ-фаз является их повышенная хрупкость при низких температурах», — объяснил руководитель исследования, заведующий лабораторией перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем ТПУ Егор Кашкаров.
Подобный подход позволяет варьировать состав отдельных слоев прекерамической бумаги, управляя их свойствами и комбинируя их. В качестве сырья для новых композитов политехники использовали прекерамические бумаги на основе МАХ-фазы Ti3Al(Si)C2 (карбоалюминида титана) и фольги из тантала. Для синтеза композитов применялась технология искрового плазменного спекания при температуре 1150 °C и давлении 50 МПа.
«Ранее проведенные исследования показали, что композиционные металл-керамические материалы на основе МАХ-фазы Ti3Al(Si)C2 является одним из наиболее перспективных материалов для высокотемпературного конструкционного применения. При этом технология искрового плазменного спекания помогает обеспечить высокоскоростное спекание материалов. Были исследованы фазовый и элементный состав образцов, кристаллическая структура и микроструктура. Кроме того, проводились механические испытания на твердость, прочность на изгиб, вязкость разрушения. Измерялись и тепловые свойства новых материалов, включая теплопроводность, удельную теплоемкость и температуропроводность», — рассказал ученый.
Результаты экспериментов показали, что полученные слоистые материалы характеризуются однородной микроструктурой отдельных слоев, высокой прочностью и квазипластичным поведением разрушения (не разрушаются хрупко, выдерживая высокие степени деформации без существенной потери прочности). Кроме того, они обладают повышенными теплофизическими свойствами.
Дальнейшие исследования, по словам руководителя проекта, будут направлены на разработку сложных по составу прекерамических бумаг, а также оптимизацию состава и архитектуры металл-керамических композитов для дальнейшего повышения характеристик материалов. Кроме того, планируется изготовить прототипы изделий из композиционных материалов для конкретных применений.
В исследовании принимали участие сотрудники Инженерной школы ядерных технологий, Инженерной школы энергетики, Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ и Университета Эрлангена — Нюрнберга (Германия).
Исследование поддержано грантом РНФ.
Источник https://minobrnauki.gov.ru/press-center/news/nauka/97898/