托木斯克理工大学(TPU)研究人员在露天环境下合成了能制成可用于航空航天、核能和切削刀具制造的超高温陶瓷的材料。这些研究人员介绍说,这一成果的取得得益于首次采用的新型工艺。
相关成果已发表在《难熔金属和硬质材料国际杂志》(International Journal of Refractory Metals and Hard Materials)上。
高熵硼化物是金属与硼的化合物,是制作超高温陶瓷的一种材质,近十年来一直受到广泛研究。这种硼化物基材料可承受3000°C以上的高温,并具有高硬度高、耐腐蚀和抗氧化性等特点。托木斯克理工大学表示,这些特性使其可用于制造高温发动机部件、核反应堆组件、工业炉及其他在腐蚀性环境中运行的设备。
这一大学还指出,尽管研究人员预估高熵硼化物具有巨大潜力,但迄今为止,但目前全球尚未实现生产。采用已知现有方法合成硼化物需使用昂贵的专门设备,并且只能在高温且惰性环境下进行,因为在这种环境下化学反应的速率降至最低。此外,这一合成过程非常耗时。
托木斯克理工大学能源工业先进材料实验室的团队提出了一种更简单、更易行的方法:非真空电弧合成法。这一团队的研究人员利用直流电弧放电技术(这种技术可以在短时间内 —— 从几秒到几分钟内达到极高温度)合成了高熵硼化物。
高熵硼化物样本
高熵硼化物样本
相关研究人员解释说,在电弧放电过程中,会形成由一氧化碳和二氧化碳组成的气体保护焊,防止产物被大气中的氧气氧化,因此,硼化物可以在露天环境中合成,无需使用专门的真空气体设备。这种在露天环境中合成的方法显著简化了工艺流程,降低了能耗,并提高了整体生产率。
他还说道,研究人员用合成的高熵硼化物制成了块状陶瓷样品,其密度高达96.5%,硬度达28.8吉帕斯卡,比钢材硬10倍。
托木斯克理工大学能源工业先进材料实验室初级研究员阿丽娜·斯维努霍娃表示:“2024年,托木斯克理工大学通过电弧等离子体法在露天环境下合成了二硼化钛,这是一种用于制成超高温陶瓷的材料,自1961年来就已被发现,并日益广泛地应用于制造在极端条件下运行设备的部件,例如核反应堆。在最新的研究中,我们合成了一种高熵硼化物,除了硼和钛之外,还含有锆、铌、铪和钽。”
她还介绍道,可通过改变金属硼化物的成分来调整其性能,这对制造新材料至关重要。
斯维努霍娃还补充说:“我们所获得的块状陶瓷样品在硬度上可与使用其他方法所获得的粉状样品相媲美,某些情况下甚至优于科学文献中描述的类似材料。”
托木斯克理工大学研究人员计划今后将继续致力于合成由不同化学物质组成的各种已知和新型的由高熵硼化物
这一研究是在俄罗斯科学基金会资助下完成的。