Новосибирские ученые смогли всего за несколько минут расплавить самый тугоплавкий материал в мире — карбид гафния, при этом традиционная технология его производства занимает несколько часов. Свойства материала делают его перспективным для использования в качестве теплозащитного покрытия для космических аппаратов типа «Буран», сообщает пресс-служба ИЯФ СО РАН.
Уникальные свойства карбида гафния (соединения гафния с углеродом) — 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 – 3,9 тысячи градусов, а максимально возможная температура в печи – примерно 2,5 тысячи градусов. 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 новосибирских институтов нашли более эффективный и дешевый способ его 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. Затем идет нагревание смеси и запуск химических реакций направленным пучком электронов на установке для электронно-лучевой сварки.
Ученые решили, что карбид должен плавится «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. В противовес классическому многочасовому спеканию в печи новый метод позволяет получать готовые детали за несколько минут.
По словам старшего научного сотрудника ИХТТМ СО РАН Алексея Анчарова, такой подход может применяться и для получения других, более дешевых (стоимость гафния – более 50 тысяч рублей за килограмм) материалов с подобными свойствами, в первую очередь, карбидов и боридов тугоплавких металлов – тантала, вольфрама, молибдена.
Карбид гафния с успехом может применяться в сфере ракетостроения, в качестве внешнего покрытия для теплозащитных оболочек возвращаемых космических аппаратов типа «Буран».
