Ученые раскрыли характеристики новой керамики для авиакосмической отрасли

Ученые УрФУ получили высокоэнтропийную керамику, которая по ряду характеристик превосходит стабилизированный диоксид циркония: ее теплопроводность оказалась примерно на 40% ниже, а фазовая стабильность сохраняется при температурах выше 1200 °C. Подробности разработки редакции Наука Mail рассказал один из ее авторов Роман Бастриков.

Исследователи УрФУ представили шесть составов высокоэнтропийной керамики с управляемыми свойствами

Источник: Пресс-служба УрФУ

Исследователи Уральского федерального университета разработали шесть составов высокоэнтропийной керамики с различным сочетанием теплофизических, электрофизических и структурных свойств. Результаты исследования опубликованы в Journal of the European Ceramic Society. Об этом редакции Наука Mail сообщили в пресс-службе Минобрнауки России.

Высокоэнтропийные материалы состоят из пяти или более основных компонентов, образующих общий твердый раствор и кристаллическую решетку. Изменяя их соотношение и структуру, исследователи могут управлять характеристиками конечного материала. Одним из ориентиров для сравнения стал стабилизированный диоксид циркония — керамический материал, широко применяемый в промышленности, в том числе в теплозащитных покрытиях.

Керамика после испытаний

Источник: Пресс-служба УрФУ

Как рассказал Наука Mail инженер кафедры редких металлов и наноматериалов УрФУ Роман Бастриков, теплопроводность разработанной керамики составляет около 1,5 Вт/(м·К) против 2,5 Вт/(м·К) у аналога. Таким образом, показатель удалось снизить примерно на 40%.

«Разработанная керамика превосходит промышленный аналог по нескольким параметрам: теплопроводность ниже — 1,5 против 2,5 Вт/(м·К), при этом КЛТР немного выше — 11,5–11,8 против ~10,5 у аналога, а фазовая стабильность сохраняется выше 1200 °C, тогда как у стабилизированного диоксида циркония при таких температурах часть основной фазы распадается на минорную», — рассказал Бастриков.

Новую керамику можно настраивать для радиоэлектроники

Еще одно отличие связано с электрофизическими характеристиками материала. По словам исследователя, их можно изменять в зависимости от состава и структуры керамики. В диапазоне спутниковой связи ученые получили значения диэлектрической проницаемости 6–8, тогда как для материала-аналога Бастриков приводит значения 20–30.

«Ее электрофизические свойства можно "настраивать" — в диапазоне спутниковой связи диэлектрическая проницаемость снижается до 6–8 против 20–30 у аналога за счет кислородных вакансий и искажений решетки, что открывает перспективы применения в радиоэлектронике», — пояснил ученый.

Материал перспективен для систем, работающих при экстремальных температурах

Источник: Пресс-служба УрФУ

Исследователи также экспериментировали с фазовым состоянием материала. После искрового плазменного спекания (SPS) изменяются его физико-механические характеристики за счет образования структуры, состоящей из кубической фазы и пирохлора. Авторы предполагают, что обратимые фазовые переходы в перспективе позволят изменять и другие характеристики одного химического состава, в том числе электрофизические. Однако эту возможность еще предстоит проверить экспериментально.

При какой температуре начинает плавиться новая керамика

В первоначальном описании разработки говорится о температурах до 2100 °C. Дополнительные эксперименты позволяют точнее интерпретировать эту величину. По предварительным данным визуального термического анализа, 2050–2100 °C — не подтвержденная рабочая температура материала, а диапазон начала его плавления.

«По предварительным результатам, полученным на установке визуального термического анализа, у составов процесс плавления начинается с температур 2050–2100 °C, так что на текущий момент можно считать эту температуру конечной. Говорить о сохранении конкретных свойств пока рано, поскольку это требует дополнительных исследований», — подчеркнул Бастриков.

Поэтому ученые пока не утверждают, что разработанная керамика способна длительно работать при температуре около 2100 °C. Сочетание низкой теплопроводности, высокой температурной стабильности и возможности регулировать свойства делает полученные материалы перспективными для теплозащитных покрытий, радиоэлектроники и других систем, работающих в экстремальных условиях.

Ранее мы рассказывали, как в Сибири научились управлять активностью наночастиц алюминия.