Ученые за
несколько минут расплавили самый тугоплавкий материал в мире
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. Он настолько термоустойчивый, что сможет выдержать тепловые
нагрузки, возникающие при движении гиперзвуковых летательных аппаратов в
плотных слоях атмосферы, а кроме того, обеспечит ускорители мощными и
долговечными катодами. 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 - известны давно, в основном его
используют при изготовлении оборудования для ядерных реакторов. Но получить
монолитные изделия из этого материала очень сложно. Температура плавления
карбида гафния – 3953 ºС, а максимально возможная температура в печи – примерно 2
500 ºС.
Это значит, что полностью расплавить карбид не получится никогда.
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 совсем не дешевым, 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 его получения.
Технология
получения. На первом этапе порошки углерода и гафния подвергают процессу механоактивации путем прокручивания в шаровой мельнице –
специальном устройстве для смешивания и измельчения твердых веществ до микроразмеров. В результате получается порошок из
мельчайших частиц, в которых чередуются слои углерода и гафния, так называемый механокомпозит – заготовка для будущего карбида. В таком
состоянии повышается реакционная способность материала.
Получившийся
«микропорошок» исследуют на экспериментальной станции синхротронного излучения
«Дифрактометрия в жестком рентгеновском диапазоне»,
на ускорителе ВЭПП-3 Сибирского центра синхротронного излучения ИЯФ СО РАН.
Синхротронным называется любое излучение, которое возникает в результате
поворота пучка заряженных частиц высоких энергий в пространстве. Здесь
используется коротковолновое излучение с большой проникающей способностью, за
счет чего возможно исследовать структуру всего образца целиком, а не только его
поверхности.
Третий
этап – нагревание смеси и запуск химических реакций направленным пучком
электронов на установке для электронно-лучевой сварки. На этом этапе перед
учеными изначально встал вопрос: в чем расплавить самое тугоплавкое соединение?
В итоге решено было сделать так, чтобы карбид плавился «сам в себе»: 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.
Перспективы
развития. По словам Алексея Анчарова, старшего научного
сотрудника ИХТТМ СО РАН, кандидата химических наук, 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.
Применение.
Карбид гафния с успехом может применяться в сфере ракетостроения, в качестве
внешнего покрытия для теплозащитных оболочек возвращаемых космических аппаратов
типа «Буран». При помощи аддитивных технологий (послойного наложения
материалов) возможно создавать композиционные покрытия
с градиентом теплопроводности: первый слой должен выдерживать высокие
температуры, возникающие при контакте с атмосферой, второй и последующие -
плавно распределять тепло, а также изолировать от него внутреннею часть
аппарата.
Тугоплавкость
и высокая способность отдавать электроны делает карбид гафния идеальным
материалом для 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.
источник
- http://www.atomic-energy.ru/news/2017/06/05/76524