Текст статьи на русском языке
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) совершили прорыв, синтезировав сверхвысокотемпературную керамику непосредственно на открытом воздухе. Этот инновационный материал имеет огромный потенциал для применения в аэрокосмической отрасли, ядерной энергетике, а также в производстве высокопрочных режущих инструментов. Данное достижение стало возможным благодаря впервые примененному уникальному методу, а результаты опубликованы в авторитетном издании International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.
Высокоэнтропийные бориды, представляющие собой соединения металлов с бором, относятся к классу сверхпрочной керамики, активно исследуемой последнее десятилетие. Эти материалы способны выдерживать температуры свыше 3000 °C, обладая при этом исключительной твердостью и высокой устойчивостью к коррозии и окислению. Благодаря этим свойствам, они идеально подходят для создания компонентов высокотемпературных двигателей, деталей ядерных реакторов, промышленных печей и другого оборудования, эксплуатируемого в агрессивных условиях.
Несмотря на признанный научным сообществом высокий потенциал высокоэнтропийных боридов, их массовое производство до сих пор не налажено. Традиционные методы синтеза требуют использования дорогостоящего специализированного оборудования, инертных атмосфер для минимизации химической реактивности и значительных временных затрат.
Команда Лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли ТПУ разработала значительно более простой и экономически выгодный подход — безвакуумный электродуговой метод синтеза. Суть метода заключается в использовании дугового разряда постоянного тока, который позволяет достигать экстремально высоких температур за считанные секунды или минуты.
Ключевая особенность метода заключается в том, что в процессе дугового разряда формируется самоподдерживающаяся защитная атмосфера из угарного и углекислого газов. Эта атмосфера эффективно предотвращает окисление синтезируемого материала кислородом из окружающего воздуха. Таким образом, бориды можно получать в обычных условиях, без необходимости в вакуумном оборудовании или подаче инертных газов. Это не только упрощает технологический процесс, но и значительно снижает энергопотребление и повышает общую производительность.
По словам Александра Пака, заведующего лабораторией, для этого исследования был применен более мощный трехфазный дуговой реактор, позволяющий обрабатывать увеличенные объемы исходного сырья по сравнению с предыдущими работами.
Из полученных высокоэнтропийных боридов исследователи успешно изготовили объемные керамические образцы, демонстрирующие плотность до 96,5% и впечатляющую твердость в 28,8 гигапаскалей, что делает их примерно в десять раз тверже стали.
Арина Свинухова, младший научный сотрудник той же лаборатории, отметила, что в 2024 году ТПУ уже успешно синтезировал диборид титана – известный с 1961 года сверхвысокотемпературный керамический материал, применяемый в ядерных реакторах и других экстремальных условиях. На новом этапе был получен высокоэнтропийный борид, включающий, помимо бора и титана, такие элементы как цирконий, ниобий, гафний и тантал.
Возможность изменения состава металлического борида позволяет целенаправленно управлять его свойствами, что критически важно для разработки новых материалов с заданными характеристиками. Свинухова также подчеркнула, что твердость полученных объемных керамических образцов сопоставима с показателями порошковых аналогов, синтезированных другими методами, а в некоторых случаях даже превосходит материалы, описанные в научной литературе.
В ближайшем будущем ученые планируют продолжить исследования, сосредоточившись на синтезе как уже известных, так и совершенно новых высокоэнтропийных боридов с разнообразными составами. Это исследование было поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).
Texto do Artigo em Português
Cientistas da Universidade Politécnica de Tomsk (TPU) alcançaram um avanço notável ao sintetizar cerâmica de ultra-alta temperatura diretamente ao ar livre. Este material inovador possui um enorme potencial para aplicações nas indústrias aeroespacial e de energia nuclear, bem como na fabricação de ferramentas de corte de alta resistência. Esta conquista foi possível graças a um método único e inédito, e os resultados foram publicados na conceituada revista International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.
Boratos de alta entropia, que são compostos de metais com boro, pertencem a uma classe de cerâmicas super-resistentes, ativamente estudadas na última década. Esses materiais são capazes de suportar temperaturas acima de 3000 °C, possuindo dureza excepcional e alta resistência à corrosão e oxidação. Devido a essas propriedades, eles são ideais para a criação de componentes de motores de alta temperatura, peças de reatores nucleares, fornos industriais e outros equipamentos operando em ambientes agressivos.
Apesar do alto potencial dos boratos de alta entropia reconhecido pela comunidade científica, sua produção em massa ainda não foi estabelecida. Os métodos de síntese tradicionais exigem o uso de equipamentos especializados caros, atmosferas inertes para minimizar a reatividade química e levam um tempo considerável.
A equipe do Laboratório de Materiais Avançados para a Indústria Energética da TPU propôs uma abordagem significativamente mais simples e economicamente viável: o método de síntese por arco elétrico sem vácuo. A essência do método reside no uso de uma descarga de arco de corrente contínua, que permite atingir temperaturas extremamente altas em questão de segundos ou minutos.
A característica fundamental deste método é que, durante a descarga do arco, forma-se uma atmosfera protetora autossustentável de monóxido e dióxido de carbono. Essa atmosfera evita eficazmente a oxidação do material sintetizado pelo oxigénio do ar ambiente. Assim, os boratos podem ser obtidos em condições normais, sem a necessidade de equipamentos a vácuo ou fornecimento de gases inertes. Isso não apenas simplifica o processo tecnológico, mas também reduz significativamente o consumo de energia e aumenta a produtividade geral.
De acordo com Alexander Pak, chefe do laboratório, para esta pesquisa foi utilizado um reator de arco trifásico de maior potência elétrica, capaz de processar volumes maiores de matéria-prima em comparação com trabalhos anteriores.
A partir dos boratos de alta entropia obtidos, os pesquisadores fabricaram com sucesso amostras cerâmicas volumétricas que demonstram uma densidade de até 96,5% e uma impressionante dureza de 28,8 gigapascais, o que os torna aproximadamente dez vezes mais duros que o aço.
Arina Svinukhova, pesquisadora júnior do mesmo laboratório, observou que em 2024 a TPU já havia sintetizado com sucesso o diboreto de titânio – um material cerâmico de ultra-alta temperatura conhecido desde 1961 e amplamente utilizado na fabricação de peças que operam em condições extremas, como reatores nucleares. Nesta nova fase, foi obtido um borato de alta entropia contendo, além de boro e titânio, elementos como zircónio, nióbio, háfnio e tântalo.
A capacidade de modificar a composição dos boratos metálicos permite controlar intencionalmente suas propriedades, o que é crucial para o desenvolvimento de novos materiais com características específicas. Svinukhova também enfatizou que a dureza das amostras cerâmicas volumétricas obtidas é comparável aos indicadores de análogos em pó sintetizados por outros métodos e, em alguns casos, até excede os materiais descritos na literatura científica.
Num futuro próximo, os cientistas planeiam continuar as pesquisas, concentrando-se na síntese de boratos de alta entropia já conhecidos e de novos, com composições diversas. Esta pesquisa foi apoiada por uma bolsa da Fundação Científica Russa (RSF).
