Ученые ИЯФ и ИХТТиМ СО РАН научились плавить карбид гафния
Ученые ИЯФ и ИХТТиМ СО РАН научились плавить карбид гафния
Процесс требует температуры 3953 градуса и невозможен в обычных печах.
Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) совместно с коллегами из Института химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ СО РАН) разработали новую технологию получения изделий из карбида гафния - материала с самой высокой температурой плавления.
Термоустойчивость у карбида гафния такова. что он выдерживает тепловые нагрузки, возникающие при движении гиперзвуковых летательных аппаратов в плотных слоях атмосферы. При классической технологии производства на получение карбида уходит несколько часов, в то время как предложенный учеными метод электронно-лучевой сварки позволяет получить тот же результат за несколько минут.
Уникальные свойства карбида гафния (соединения гафния с углеродом, химическая формула HFC) - тугоплавкость, высокая стойкость к коррозии, отмечает пресс-служба ИЯФ. Они известны давно, в основном материал используют при изготовлении оборудования для ядерных реакторов. Температура плавления карбида гафния – 3953 ºС, а максимально возможная температура в печи – примерно 2500 ºС. Это значит, что полностью расплавить карбид не получится. Поэтому при традиционной технологии сначала получают карбид гафния нагревом смеси порошков гафния и углерода, затем его размалывают как можно мельче, прессуют и спекают, как керамику, десятки часов при максимально возможной температуре. Такое производство выходит энергозатратным и дорогим, при этом сам материал получается пористым, что плохо сказывается на его свойствах.
Специалисты ИЯФ СО РАН и ИХТТМ СО РАН нашли более эффективный и дешевый способ получения карбида гафния. Сначала порошки углерода и гафния прокручивают в шаровой мельнице – специальном устройстве для смешивания и измельчения твердых веществ до микроразмеров. Порошок, в котором чередуются слои углерода и гафния, так называемый механокомпозит – заготовка для будущего карбида. Его исследуют на экспериментальной станции синхротронного излучения «Дифрактометрия в жестком рентгеновском диапазоне», на ускорителе ВЭПП-3 Сибирского центра синхротронного излучения ИЯФ СО РАН. Далее смесь нагревают и запускают химические реакции направленным пучком электронов на установке для электронно-лучевой сварки. Технология строится так, что жидкий материал находится «в кольце» порошкообразного. В дальнейшем используется метод послойного добавления сырья, применяемый также для печати на 3D-принтере: рисунок создается при помощи электронного пучка на первом слое порошка, затем подсыпается новый слой, процесс повторяется – и так до тех пор, пока форма не будет отлита полностью. Заключительный этап – контрольное просвечивание синхротронным излучением.
В противовес классическому многочасовому спеканию в печи новый метод позволяет получать готовые детали за несколько минут. По словам Алексея Анчарова, старшего научного сотрудника ИХТТМ СО РАН, к.х.н., такой подход может применяться и для получения других, более дешевых (стоимость гафния – около 50 тысяч рублей за килограмм) материалов с подобными свойствами, в первую очередь карбидов и боридов тугоплавких металлов – тантала, вольфрама, молибдена.
Карбид гафния может применяться в ракетостроении - в качестве внешнего покрытия для теплозащитных оболочек возвращаемых космических аппаратов типа «Буран», а также для производства катодов ускорителей. Причем речь идет не только об исследовательских коллайдерах, но и о промышленных ускорителях производства ИЯФ СО РАН, которые применяются, например, для очистки выбросов электростанций и промышленных сточных вод, а также для электронно-лучевой стерилизации в медицине, фармакологии и пищевой промышленности.
Комментарии