Перейти на стартовую страницу
2017-06-05 16:04:00 /РИА "Сибирь" /Новосибирск
Сибирские ученые научились получать изделия из карбида гафния - самого тугоплавкого материала
*                   Наука и практика




Ученые Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН совместно с коллегами из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН разработали новую технологию получения изделий из карбида гафния - материала с самой высокой температурой плавления.

Этот минерал настолько термоустойчив, 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 ?С, а максимально возможная температура в печи – примерно 2500 ?С. Это значит, что полностью расплавить карбид гафния 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 институтов ядерной физики и химии твердого тела и механохимии 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 Института ядерной физики 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 3D-печати 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 Института химии твердого тела и механохимии 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 Института ядерной физики 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.

Результаты
 исследования представлены научному сообществу: The international seminar on interdisciplinary problems in additive technologies. 6-9 December, 2016, Tomsk. Ancharov A.I., Grigoreva N.F., Logachev P.V., Semenov Iu.I., Starostenko F.F., B.P. Tolochko. Possibility of application of hafnium and tantalum carbides as materials for additive manufacturing.