Grafisk sammanfattning av studien:Stabila hafnium-tantalkarbidfaser med olika förhållanden av de ingående grundämnena förutsägs och syntetiseras som pulver och som beläggningar på koppar. Kredit:Alexander Kvashnin/Skoltech
Forskare från Skoltech och Tomsk Polytechnic University har använt en ovanlig teknik från flygindustrin för att syntetisera hafnium-tantalkarbid, ett svårsmält material för beläggning av elektriska och mekaniska komponenter som fungerar under extrema förhållanden. Deras plasmadynamiska metod är billig och effektiv och kan producera högkvalitativ karbid både som pulver och som beläggningar på olika underlag. Forskningsresultaten rapporteras i Avancerade funktionella material .
Övergångsmetallkarbider är industriellt viktiga material med ultrahöga smälttemperaturer, imponerande hårdhet och slitstyrka. Bland dem kan karbiderna av hafnium och tantal motstå de högsta temperaturerna – nära 4 000 grader Celsius – utan att smälta. Intressant nog har några av de blandade karbiderna av dessa två metaller löftet om en ännu högre smältpunkt, vilket gör hafnium-tantalkarbider potentiellt användbara för hårdvara och elektronik som arbetar under extrema förhållanden. Utöver det kan de visa sig användbara som katalysatorer för att producera väte från vatten.
De konventionella metoderna för syntes av material med höga smältpunkter, bland dem övergångsmetallkarbider, förlitar sig på speciella sintringsmetoder, isostatisk pressning och andra tekniker som kräver högt vakuum eller extrema tryck. Sådana förhållanden är tekniskt utmanande, och utöver det måste källmaterialen malas till mycket fina pulver, så dessa metoder är dyra och resurskrävande. Nu har Skoltech- och TPU-fysiker och deras kollega från Pirogov University använt en effektiv och mer ekonomisk teknik som kallas plasmadynamisk syntes för att erhålla högkvalitativa föreningar av hafnium, tantal och kol både i form av pulver och som beläggningar som kan avsättas på olika underlag.
Tekniken involverar accelererade pulsade plasmaflöden och går tillbaka till flygteknik från mitten av 1960-talet. Den utvecklades ursprungligen i syfte att utnyttja de genererade hypersoniska flödena i plasmapistoler och rymdmotorer. Så småningom föreslogs flera plasmaacceleratordesigner och vid sekelskiftet utökades tillämpningsområdet till att omfatta syntes av olika funktionella material.
Den senaste studien i Advanced Functional Materials rapporterar anpassningen av en sådan teknik – dynamisk plasmasyntes – till produktionen av hafnium-tantalkarbid.
"Vi använder en unik experimentell uppsättning utvecklad vid TPU, kallad den koaxiala magnetiska plasmaacceleratorn. Först placerar vi källmaterialen – pulveriserat kol och oxiderna av hafnium och tantal – i acceleratorn och pumpar mycket energi in i lagringskondensatorer. kondensatorer laddas ur, detta ger upphov till en elektrisk ljusbåge som omedelbart förvandlar källmaterialen till ett plasmaflöde som träffar reaktorväggen i 5 kilometer per sekund. Sedan skrubbar vi bara bort slutmaterialet och där är det", medförfattare till studien Docent. Dmitry Nikitin från TPU berättade.
Huvudförfattaren till studien, biträdande professor Alexander Kvashnin från Skoltech, kommenterade:"Vi har använt moderna beräkningsmetoder för att göra exakta förutsägelser av nya föreningar med önskvärda egenskaper, och kombinerat dessa metoder med experimentella tekniker som är ovanliga för denna typ av föreningar, kommer fram till en billig och selektiv syntes av de nya föreningarna och funktionella material baserade på dem."
Teamet förutspådde 10 faser av hafnium-tantalkarbid som skiljer sig i den relativa andelen av de två metallerna i det resulterande materialet och syntetiserade dem alla med hjälp av den unika experimentella uppsättningen. "Detta visar att, till skillnad från de andra metoderna, tillåter vår produktsammansättning att kontrolleras med hög selektivitet och precision," sa Kvashnin.
Förutom att vara mindre krävande för källmaterial och reaktorförhållanden, fungerar teamets dynamiska plasmasyntesmetod som en teknik för avsättning av hafnium-tantalkarbidbeläggningar på godtyckliga ytor. "Några av de 10 föreningarna som förutspåddes i den här studien syntetiserades inte bara som pulver utan avsattes också som beläggningar på en kopparbit," tillade Kvashnin.
Enligt forskarna skulle sådana hårda legeringsbeläggningar kunna användas för termisk och elektrisk isolering, såväl som för skydd mot mekanisk skada. "Om vi antar att den kopparbiten var en kabel, genom att belägga den med hafnium-tantalkarbid, gjorde vi den kabeln cirka 10 gånger hårdare och elektriskt isolerade och värmeskärmade den till köpet," fortsatte forskaren. "Andra komponenter som fungerar under tuffa förhållanden kan också dra nytta av sådana beläggningar. Till exempel kan du belägga kulorna i ett kullager för att avsevärt öka dess slitstyrka."
Chefen för TPU:s strategiska projekt Energy of the Future under programmet Priority 2030, Alexander Pak, kommenterade resultaten av studien:"Det som också gör denna forskning viktig är att de förutspådda och syntetiserade nanopulverna av metallkarbid kan hitta tillämpningar i katalytiska system för väteproduktion genom vattenklyvning. Detta tjänar till att visa att samarbetet mellan TPU:s Ecoenergy 4.0 Research Center och Skoltechs Project Center for Energy Transition och ESG kan resultera i imponerande nya material för energiindustrin." + Utforska vidare
