Ученые из Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН и Института химии ФИЦ «Коми научный центр УрО РАН» совершили мировой прорыв, синтезировав новый керамический материал. Основой послужила MAX-фаза Ti₃SiC₂, легированная цирконием, которая показала выдающуюся прочность в условиях экстремально высоких температур.
Материал будущего
Как объясняет кандидат химических наук, научный сотрудник Института химии Коми НЦ УрО РАН Елена Истомина, новинка сочетает свойства керамики и металлов. Она работает в агрессивных средах при сильном нагреве, сохраняя при этом меньший вес по сравнению с существующими аналогами.
Инновационный метод синтеза
Исследователи получили и изучили твердые растворы (Ti₁₋ₓZrₓ)₃SiC₂ с долей циркония (x=0.10, 0.15) методом вакуумного карбосиликотермического восстановления с горячим прессованием. Ключевая особенность – использование оксидов циркония и титана в качестве исходных компонентов. «Благодаря реакции карботермического восстановления нам удалось создать материал на базе фазы Ti₃SiC₂, допированный цирконием в титановой подрешетке», – уточнила Е.И. Истомина.
Существенное улучшение характеристик
Добавка циркония радикально повысила качества материала. Если раньше MAX-фазы начинали "плыть" и терять форму уже при 1200°C, то внедрение циркония в решетку значительно увеличило порог сохранения структурной целостности.
Рекордные показатели
Механические испытания подтвердили значительный рост показателей: твердость поднялась с 3.9 ГПа (у исходного Ti₃SiC₂) до 6.8 ГПа при x=0.15. Прочность на изгиб при комнатной температуре увеличилась с 314 МПа до 487 МПа. Важнейший результат – рост температурной стабильности: температура перехода от хрупкого разрушения к пластичному достигла 1600°C. Образец с максимальным содержанием циркония (x=0.15) продемонстрировал прочность 311 МПа (64% от начальной) даже при этой экстремальной температуре.
Уникальность достижения
«Мы реализовали на практике то, что ранее существовало лишь в теоретических прогнозах, – подчеркнула Е.И. Истомина. – Нам удалось получить рекордную прочность на изгиб для MAX-фаз, и что критически важно – это свойство сохраняется при температурах выше 1200°C».
Широкие перспективы применения
Новый материал превосходит традиционные MAX-фазы по комплексу свойств при температурах свыше 1200°C. Он открывает большие перспективы создания жаропрочных, термостойких и долговечных деталей для газотурбинных двигателей – огнеупорных облицовок камер сгорания, лопаток и направляющих аппаратов.
Легирование цирконием принципиально повысило рабочий температурный предел MAX-фаз, позволяя сохранить их механические характеристики в экстремальных условиях. Эта разработка прокладывает путь к созданию совершенно новых керамических материалов для аэрокосмической, энергетической, транспортной и оборонной промышленности.
Источник: scientificrussia.ru
