Højtemperatursyntese under tryk hjælper med at kombinere egenskaber af metaller og keramik

Materialeforskere fra NUST MISIS og Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics &Materials Science har udviklet en ny metode til at producere bulk MAX-faser - lagdelte materialer, der kombinerer egenskaberne af metaller og keramik. Via metoder til selvudbredende højtemperatursyntese og højtemperaturforskydningsdeformation, det var muligt at opnå tilstrækkeligt store prøver af blandet titanium og aluminiumcarbid, som i fremtiden kan bruges som højtemperatur varmeelementer, ifølge forskningspapiret offentliggjort i Keramik International .

På trods af at folk har lavet og arbejdet med keramiske materialer i omkring 30, 000 år, videnskabsmænd udvikler stadig nye metoder til dens produktion. MAX-faser er lagdelte keramiske materialer, som indeholder tre elementer i deres sammensætning:M-metal (oftest er disse elementer af overgangsmetaller), A—metal/ikke-metal (som regel, disse er elementer fra 13. og 14. gruppe, dvs. 3A eller 4A - i en kortperiodeversion fra det periodiske system), og X-nitrogen eller kulstof. De resulterende nitrider eller carbider har den fælles formel Mn+1AXn (n er fra en til tre), og har en sekskantet lagstruktur, derved opnår en ret usædvanlig kombination af fysiske egenskaber.

Disse stoffer har egenskaber af både metaller og keramik. I særdeleshed, de har høj elektrisk og termisk ledningsevne, men modstand mod pludselige ændringer i temperatur og betydelige mekaniske belastninger. Materialer fra denne familie blev først anskaffet i 1960'erne, men videnskabsmænd er først begyndt at studere dem i løbet af det sidste årti. For nylig, der er udviklet metoder til at opnå disse materialer, de mest populære er kemisk eller fysisk dampaflejring, gnist plasma sintring, og varm isostatisk presning. Materialerne syntetiseres ofte i form af små prøver, så en separat teknologisk opgave baseret på MAX-fasen er nødvendig for at få materialet i bulk. Til dette formål, forskellige muligheder for sintring af pulvermaterialer bruges, men alle de eksisterende metoder er enten for teknologisk komplekse og derfor dyre, eller kræver flere lange trin for at øge densiteten af ​​de oprindeligt porøse materialer, hvilket ikke tillader forskerne at opnå en tilstrækkelig andel af MAX-fasen i det endelige materiale.

Forskerholdet fra NUST MISIS ledet af Denis Kuznetsov, en doktorgradskandidat i tekniske videnskaber, har foreslået en ny metode til enkelttrins MAX-fasesyntese med en sammensætning af Ti ₃ AlC ₂ - et lovende materiale til brug som et højtemperaturvarmeelement. For at få det, videnskabsmænd brugte en kombination af selvudbredende højtemperatursyntese og forskydningsdeformation under tryk. Forskerne sammenlignede også to metoder til presning:ekstruderingspresning, hvor pulveret blev presset til en speciel form, skabe stanglignende elementer, og enakset kompression, hvori det pressede pulver simpelthen blev presset, når det blev opvarmet, forvandler det til plader. Temperaturen var omkring 1700 grader Celsius under presning, og hele processen varede omkring 20 til 25 sekunder.

Som et resultat af denne foreslåede tilgang, forskerne opnåede to typer prøver med nogenlunde ens egenskaber. Både i plader og stænger, tætheden oversteg 95 procent, i forhold til det pulveriserede materiale, og Ti ₃ AlC ₂ indhold varierede fra 67 til 82 procent.

På samme tid, denne metodes mekaniske og fysiske parametre slår lidt ud af prøverne opnået ved ekstrudering:trykstyrken af ​​disse materialer var 720 megapascal, mens prøver opnået gennem kompression kun registrerede en trykstyrke på 641 megapascal. Derudover prøverne registrerede et bedre Youngs modul - 221 gigapascal til 198, og termisk ledningsevne - 22,9 watt pr. meter, når den opvarmes med én grad til 22,1 end kompressionsprøverne.

Ifølge forskerne, den største fordel ved deres foreslåede metode er, at de hurtigt opnår et relativt bulkmateriale i blot ét trin – det kræver ikke høje temperaturer og lange timers sintring. Andelen af ​​MAX-fase i det endelige stof er ret høj, så i fremtiden, disse materialer kan bruges i enheder, der arbejder ved høje temperaturer (omkring 1500 grader Celsius), såsom varmeelementer eller belægning til elektriske kontakter.