Anna Poznyak, projektledare och forskare vid NUST MISIS Institutionen för funktionella nanosystem och högtemperaturmaterial. Kredit:© Sergey Gnuskov/NUST MISIS
Materialforskare från NUST MISIS och Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics &Materials Science har utvecklat en ny metod för att producera bulk MAX-faser – skiktade material som kombinerar egenskaperna hos metaller och keramik. Via metoder för självförökande högtemperatursyntes och högtemperaturskjuvdeformation, det var möjligt att få tillräckligt stora prover av blandad titan och aluminiumkarbid, som i framtiden kan användas som högtemperaturvärmeelement, enligt forskningsrapporten publicerad i Ceramics International .
Trots att människor har tillverkat och arbetat med keramiska material i ett 30-tal, 000 år, forskare utvecklar fortfarande nya metoder för dess produktion. MAX-faser är skiktade keramiska material som innehåller tre element i sin sammansättning:M-metall (oftast är dessa element av övergångsmetaller), A—metall/icke-metall (som regel, dessa är element från den 13:e och 14:e gruppen, dvs 3A eller 4A – i en kortperiodversion från det periodiska systemet), och X—kväve eller kol. De resulterande nitriderna eller karbiderna har den gemensamma formeln Mn+1AXn (n är från ett till tre), och har en hexagonal skiktad struktur, därigenom förvärvar en ganska ovanlig kombination av fysikaliska egenskaper.
Dessa ämnen har egenskaper hos både metaller och keramik. Särskilt, de har hög elektrisk och termisk ledningsförmåga, men motstånd mot plötsliga temperaturförändringar och betydande mekaniska belastningar. Material från denna familj erhölls först på 1960-talet, men forskare har bara börjat studera dem under det senaste decenniet. Nyligen, metoder har utvecklats för att erhålla dessa material, de mest populära är kemisk eller fysisk ångavsättning, gnistplasmasintring, och varm isostatisk pressning. Materialen syntetiseras ofta i form av små prover, så en separat teknisk uppgift baserad på MAX-fasen är nödvändig för att få materialet i bulk. För det här syftet, olika alternativ för sintring av pulvermaterial används, men alla befintliga metoder är antingen för tekniskt komplicerade och därför dyra, eller kräver flera långa steg för att öka densiteten hos de ursprungligen porösa materialen, vilket inte tillåter forskarna att uppnå en tillräcklig andel av MAX-fasen i det slutliga materialet.
Forskargruppen från NUST MISIS ledd av Denis Kuznetsov, en doktorand i tekniska vetenskaper, har föreslagit en ny metod för enstegs MAX-fassyntes med en sammansättning av Ti 3 AlC 2 —ett lovande material för användning som högtemperaturvärmeelement. För att få det, forskare använde en kombination av självförökande högtemperatursyntes och skjuvdeformation under tryck. Forskarna jämförde också två metoder för pressning:extruderingspressning, under vilken pulvret pressades till en speciell form, skapa stavliknande element, och enaxlig kompression, där det pressade pulvret helt enkelt pressades när det värmdes, förvandla det till tallrikar. Temperaturen var ca 1700 grader Celsius under pressningen, och hela processen varade cirka 20 till 25 sekunder.
Som ett resultat av detta föreslagna tillvägagångssätt, forskarna fick två typer av prover med ganska likartade egenskaper. Både i tallrikar och stavar, densiteten översteg 95 procent, i förhållande till det pulveriserade materialet, och Ti 3 AlC 2 innehållet varierade från 67 till 82 procent.
På samma gång, Denna metods mekaniska och fysikaliska parametrar slår något ut de prover som erhållits genom extrudering:tryckhållfastheten för dessa material var 720 megapascal, medan prover som erhållits genom kompression endast registrerade en tryckhållfasthet på 641 megapascal. Dessutom, proverna registrerade en bättre Youngs modul – 221 gigapascal till 198, och värmeledningsförmåga - 22,9 watt per meter vid uppvärmning med en grad till 22,1 än kompressionsproverna.
Enligt forskarna, den största fördelen med deras föreslagna metod är att snabbt få ett relativt bulkmaterial i bara ett steg – det kräver inte höga temperaturer och långa timmars sintring. Andelen MAX-fas i det slutliga ämnet är ganska hög, så i framtiden, dessa material kan användas i enheter som arbetar vid höga temperaturer (cirka 1500 grader Celsius), såsom värmeelement eller beläggning för elektriska kontakter.
