Ученые из Харбинского университета создали инновационный метод производства сверхвысокотемпературной керамики на основе карбида циркония. Разработанный материал отличается рекордной прочностью на изгиб — 824 МПа, а его вязкость разрушения достигает 7,5 МПа·м½. Ученые задумываются о том, чтобы использовать его для создания компонентов гиперзвуковых летательных аппаратов и реакторов следующего поколения.
В основе технологии лежит двухступенчатый процесс реактивного плазменного спекания с применением карбида циркония, дисилицида титана и карбида бора при очень высокой температуре: сначала при примерно 1600 образуются одни соединения, затем при 1800 формируются более прочные структуры. Благодаря поэтапности можно точно задавать и контролировать структуру материала буквально на микроуровне.
Исследователям удалось получить мелкозернистую структуру с размером частиц менее 500 нм благодаря особому соотношению компонентов. Уже под микроскоп стало видно, что определенная ориентация вторичного карбида кремния в матрице существенно улучшает механические свойства материала. Что интересно, основные химические превращения происходят на начальном этапе, что подтверждается данными о снижении скорости реакции при высоких температурах.
До сих пор широкому применению карбида циркония мешали его хрупкость и сложность обработки, несмотря на выдающуюся термостойкость. Китайским специалистам удалось найти комплексное решение этой проблемы за счет тщательного контроля химических процессов. Результаты исследования опубликованы в авторитетном Journal of Advanced Ceramics.
Практический интерес к подобным материалам не случаен, ведь именно керамика на основе карбида циркония рассматривается как один из ключевых кандидатов для создания носовых конусов и передних кромок крыльев гиперзвуковых ракет, разогревающихся в полете до 2000 и выше. Сталь или титан при таких температурах просто плавятся, а традиционная керамика рассыпается от малейшего удара. Новый материал из Харбина сочетает жаростойкость с достаточной гибкостью — это примерно как если бы стекло не трескалось при ударе. Разработкой уже заинтересовались инженеры, работающие над гиперзвуковыми аппаратами нового поколения.
Не менее перспективно применение этой керамики в ядерной энергетике. Реакторы IV поколения, которые сейчас активно проектируются в Китае, США и России, работают при температурах, сильно вредящих большинству современных конструкционных материалов. Карбид циркония химически устойчив к радиационному облучению и не вступает в реакцию с экстремально горячим теплоносителем — а значит, из него можно делать оболочки для ядерного топлива, способные служить значительно дольше, чем нынешние аналоги. По оценкам специалистов Массачусетского технологического института, переход на керамические компоненты в реакторах следующего поколения способен продлить межремонтный цикл в полтора-два раза.
Похожие разработки ведутся в нескольких ведущих лабораториях мира. Так, команда из Имперского колледжа Лондона создала композитную керамику на основе диборида циркония, а исследователи из Национальной лаборатории Окриджа представили технологию 3D-печати высокотемпературной керамики для ядерной энергетики. Российские ученые из ВИАМ также работают над созданием керамических композитов для авиакосмической отрасли.
Ранее мы писали о том, что Индия представила самый маленький лазер с ИИ мощностью 2 кВт.
