Superhård materialesyntese gjort billigere

Skoltech-forskere og deres kolleger fra Tomsk Polytechnic University har foreslået en effektiv og billig måde at syntetisere superhård wolframborid, der anvendes til boring og andre industrielle teknologier. Forskningen, der beskriver den nye teknik, blev offentliggjort i tidsskriftet Inorganic Chemistry og blev vist på forsiden af ​​maj-nummeret.

Da de blev opdaget, fangede wolframborider videnskabsmænds fantasi på grund af deres hårdhed, termiske modstand, lave termiske ledningsevne og andre fascinerende mekaniske egenskaber, der er overlegne i forhold til andre materialer, der havde været uovertruffen i næsten et århundrede. Imidlertid kræver de eksisterende metoder til wolframboridsyntese enten et vakuum eller en inert atmosfære under højt tryk. Dette øger produktionsomkostningerne og begrænser skalerbarhed og produktionsvolumen.

"Vi ledte efter en effektiv tilgang til storskala syntese af WB5–x, en særlig wolframboridvariant, der har ekstrem høj slidstyrke," siger hovedforskeren af ​​undersøgelsen, adjunkt Alexander Kvashnin fra Skoltechs Project Center for Energy Transition og ESG. "Det tog os meget tid og energi, og at identificere de forskellige faser i de syntetiserede prøver viste sig at være en udfordring. Men beregningsmetoder kom til undsætning, og efter at have grundigt undersøgt synteseforholdene og strukturen af ​​det opnåede materiale, vi fandt ud af, at det var lykkedes os at syntetisere en to-faset prøve indeholdende WB2 og WB5–x."

Artiklens hovedforfatter, forskningsforsker Alexander Pak fra Ecoenergy 4.0 Research Center ved Tomsk Polytechnic University, kommenterer:"Krystalfaserne af wolframborid forudsagt af vores Skoltech-kolleger blev opnået med succes ved hjælp af den originale vakuumløse atmosfæriske bueplasmasynteseteknik i DC-buen plasmareaktor udviklet på Tomsk Polytechnic University. Ved at forenkle metoden og reaktordesignet lykkedes det os at eliminere en række dyre højteknologiske komponenter. Sammenlignet med umiddelbare analoger vurderer vi, at vores metode bruger op til 90 % mindre strøm, i hvert fald når syntetisere materiale i de mængder, der er typiske for laboratorieeksperimenter."

Den specialbyggede forsøgsopstilling, der blev brugt i undersøgelsen, bestod af en grafitkatode i form af en digel og en stangformet anode, der kunne passe indeni, også lavet af grafit. Den indledende blanding af pulveriseret wolfram og bor blev komprimeret og placeret i bunden af ​​diglen. Derefter blev en elektrisk lysbueudladning initieret mellem anoden og katoden i normal luft. Som et resultat reagerede atmosfærisk oxygen med kulstoffet i grafit, hvilket producerede et selvstændigt gasmiljø i diglen. Da den elektriske lysbue drev temperaturen op, opstod syntese, hvilket gav forskellige wolframborider i en andel bestemt af kildematerialeforholdet og plasmabehandlingsparametre. Det er vigtigt, at hele denne proces ikke kræver et vakuummiljø, hvilket gør metoden anvendelig til storstilet industriel produktion.

"Vi forbedrede også metoden for at give mulighed for finjustering af de eksperimentelle parametre for at kontrollere produktsammensætningen," tilføjer Kvashnin. "Dette gjorde det muligt at øge andelen af ​​den ønskede WB5–x-fase i prøven til 61,5 volumenprocent."

Den nye vakuumfri teknik er det første skridt mod kontrollerbar, billig storskala syntese af superhård wolframborid med exceptionelle mekaniske egenskaber til en bred vifte af industrielle applikationer. Ifølge forskerne vil materialet endda være egnet til at skrubbe kuldioxid fra fabrikkens emissioner og producere blå brint. Den største fordel ved at bruge WB5–x som katalysator i den proces er dens evne til at blive genbrugt. + Udforsk yderligere

Forskere løser et 60 år gammelt puslespil om et superhårdt materiale