Skoltech-forskare och deras kollegor från Tomsk Polytechnic University har föreslagit ett effektivt och billigt sätt att syntetisera superhård volframborid, som används i borrning och annan industriell teknik. Forskningen som beskriver den nya tekniken publicerades i tidskriften Inorganic Chemistry och var med på omslaget till majnumret.

När de upptäcktes fångade volframborider forskarnas fantasi på grund av deras hårdhet, termiska motstånd, låga värmeledningsförmåga och andra fascinerande mekaniska egenskaper överlägsna de hos andra material som hade varit oöverträffade i nästan ett sekel. De befintliga metoderna för syntes av volframborid kräver emellertid antingen ett vakuum eller en inert atmosfär under högt tryck. Detta ökar produktionskostnaderna och begränsar skalbarhet och produktionsvolym.

"Vi letade efter ett effektivt tillvägagångssätt för storskalig syntes av WB5–x, en speciell volframboridvariant som har extremt hög slitstyrka", säger studiens huvudutredare, biträdande professor Alexander Kvashnin vid Skoltechs Project Center for Energy Transition och ESG. "Det tog oss mycket tid och energi, och att identifiera de distinkta faserna i de syntetiserade proverna visade sig vara en utmaning. Men beräkningsmetoder kom till undsättning, och efter att ha noggrant undersökt syntesförhållandena och strukturen hos det erhållna materialet, vi fann att vi hade lyckats syntetisera ett tvåfasprov innehållande WB2 och WB5–x."

Tidningens huvudförfattare, forskaren Alexander Pak från Ecoenergy 4.0 Research Center vid Tomsk Polytechnic University, kommenterar:"Kristallfaserna för volframborid som förutspåtts av våra Skoltech-kollegor erhölls framgångsrikt med den ursprungliga vakuumlösa plasmasyntestekniken för atmosfärisk båge i DC-bågen plasmareaktor utvecklad vid Tomsk Polytechnic University. Genom att förenkla metoden och reaktordesignen lyckades vi eliminera ett antal kostsamma högteknologiska komponenter. Jämfört med omedelbara analoger uppskattar vi att vår metod förbrukar upp till 90 % mindre ström, åtminstone när syntetisera material i de mängder som är typiska för laboratorieexperiment."

Den specialbyggda experimentuppställningen som användes i studien bestod av en grafitkatod i form av en degel och en stavformad anod som fick plats inuti, även den gjord av grafit. Den initiala blandningen av pulveriserad volfram och bor komprimerades och placerades i botten av degeln. Därefter initierades en elektrisk ljusbågsurladdning mellan anoden och katoden i normal luft. Som ett resultat reagerade atmosfäriskt syre med kolet i grafit, vilket producerade en fristående gasmiljö i degeln. När ljusbågen drev upp temperaturen inträffade syntes, vilket gav olika volframborider i en proportion som bestäms av källmaterialförhållandet och plasmabehandlingsparametrar. Viktigt är att hela denna process inte kräver en vakuummiljö, vilket gör metoden tillämpbar på storskalig industriell produktion.

"Vi förbättrade också metoden för att möjliggöra finjustering av de experimentella parametrarna för att kontrollera produktsammansättningen," tillägger Kvashnin. "Detta gjorde det möjligt att öka andelen av den önskvärda WB5–x-fasen i provet till 61,5 volymprocent."

Den nya vakuumlösa tekniken är det första steget mot kontrollerbar och billig storskalig syntes av superhård volframborid med exceptionella mekaniska egenskaper för ett brett spektrum av industriella applikationer. Enligt forskarna kommer materialet till och med att vara lämpligt för att skrubba koldioxid från fabriksutsläpp och producera blått väte. Den största fördelen med att använda WB5–x som katalysator i den processen är dess förmåga att återanvändas. + Utforska vidare

Forskare löser ett 60-årigt pussel om ett superhårt material