Billig syntese af carbidmaterialer med højt smeltepunkt

Forskere fra Skoltech og Tomsk Polytechnic University har brugt en usædvanlig teknik fra rumfartsindustrien til at syntetisere hafnium-tantalcarbid, et svært smelteligt materiale til belægning af elektriske og mekaniske komponenter, der fungerer under ekstreme forhold. Billig og effektiv, deres plasma dynamiske metode kan producere højkvalitets carbid både som pulvere og som belægninger på forskellige substrater. Forskningsresultaterne er rapporteret i Advanced Functional Materials .

Overgangsmetalkarbider er industrielt vigtige materialer med ultrahøje smeltetemperaturer, imponerende hårdhed og slidstyrke. Blandt dem kan karbiderne af hafnium og tantal modstå de højeste temperaturer - tæt på 4.000 grader Celsius - uden at smelte. Interessant nok har nogle af de blandede carbider af disse to metaller løftet om et endnu højere smeltepunkt, hvilket gør hafnium-tantalcarbider potentielt nyttige til hardware og elektronik, der arbejder under ekstreme forhold. Ud over det kan de vise sig anvendelige som katalysatorer til fremstilling af brint fra vand.

De konventionelle tilgange til syntese af materialer med høje smeltepunkter, blandt dem overgangsmetalcarbider, er afhængige af ejendommelige sintringsmetoder, isostatisk presning og andre teknikker, der kræver højt vakuum eller ekstreme tryk. Sådanne forhold er teknologisk udfordrende, og oven i købet skal kildematerialerne males til meget fine pulvere, så de metoder er dyre og ressourcekrævende. Nu har Skoltech- og TPU-fysikere og deres kollega fra Pirogov Universitet brugt en effektiv og mere økonomisk teknik kaldet plasmadynamisk syntese til at opnå højkvalitetsforbindelser af hafnium, tantal og kulstof både i form af pulvere og som belægninger, der kan aflejres på forskellige underlag.

Teknikken involverer accelererede pulserende plasmastrømme og går tilbage til rumfartsteknologi fra midten af ​​1960'erne. Det blev oprindeligt udviklet med henblik på at udnytte de genererede hypersoniske strømme i plasmakanoner og rummotorer. Til sidst blev der foreslået adskillige plasmaacceleratordesigns, og ved århundredeskiftet udvidedes omfanget af deres anvendelser til at omfatte syntesen af ​​forskellige funktionelle materialer.

Den nylige undersøgelse i Advanced Functional Materials rapporterer tilpasningen af ​​en sådan teknologi – plasmadynamisk syntese – til produktionen af ​​hafnium-tantalcarbid.

"Vi anvender et unikt eksperimentelt setup udviklet på TPU, kaldet den koaksiale magnetiske plasmaaccelerator. Først placerer vi kildematerialerne - pulveriseret kulstof og oxiderne af hafnium og tantal - i acceleratoren og pumper en masse energi ind i lagerkondensatorer. kondensatorer aflades, hvilket giver anledning til en elektrisk lysbue, der øjeblikkeligt forvandler kildematerialerne til en plasmastrøm, der rammer reaktorvæggen med 5 kilometer i sekundet. Så skrubber vi bare endematerialet af, og der er det," medforfatter af undersøgelsen, lektor Dmitry Nikitin fra TPU fortalte.

Hovedforfatteren af ​​undersøgelsen, adjunkt Alexander Kvashnin fra Skoltech, kommenterede:"Vi har brugt moderne beregningsmetoder til at lave præcise forudsigelser af nye forbindelser med ønskværdige egenskaber og kombineret disse metoder med eksperimentelle teknikker, der er usædvanlige for denne type forbindelser, nå frem til en billig og selektiv syntese af de nye forbindelser og funktionelle materialer baseret på dem."

Holdet forudsagde 10 faser af hafnium-tantalcarbid, der adskiller sig i den relative andel af de to metaller i det resulterende materiale og syntetiserede dem alle ved hjælp af den unikke eksperimentelle opsætning. "Dette viser, at i modsætning til de andre metoder tillader vores produktsammensætning at blive kontrolleret med høj selektivitet og præcision," sagde Kvashnin.

Udover at være mindre krævende for kildematerialer og reaktorforhold, fungerer holdets dynamiske plasmasyntesemetode som en teknik til afsætning af hafnium-tantalcarbid-belægninger på vilkårlige overflader. "Nogle af de 10 forbindelser, der blev forudsagt i denne undersøgelse, blev ikke kun syntetiseret som pulvere, men også aflejret som belægninger på et stykke kobber," tilføjede Kvashnin.

Ifølge forskerne kunne sådanne hårde legeringsbelægninger bruges til termisk og elektrisk isolering såvel som til beskyttelse mod mekanisk skade. "Hvis vi antog, at det stykke kobber var et kabel, ved at belægge det med hafnium-tantalcarbid, gjorde vi det kabel omkring 10 gange hårdere og elektrisk isolerede og varmeafskærmede det til købet," fortsatte forskeren. "Andre komponenter, der fungerer under barske forhold, kunne også drage fordel af sådanne belægninger. For eksempel kan du belægge kuglerne i et kugleleje for at øge slidstyrken betydeligt."

Lederen af ​​TPU's Energy of the Future strategiske projekt under Priority 2030-programmet, Alexander Pak, kommenterede resultaterne af undersøgelsen:"Det, der også gør denne forskning vigtig, er, at de forudsagte og syntetiserede nanopulvere af metalcarbid kan finde anvendelse i katalytiske systemer til brintproduktion ved vandspaltning. Dette tjener til at vise, at samarbejdet mellem TPU's Ecoenergy 4.0 Research Center og Skoltechs Project Center for Energy Transition og ESG kan resultere i imponerende nye materialer til energiindustrien." + Udforsk yderligere

Superhård materialesyntese gjort billigere