開發了一種獨特的碳化物合成方法，用於生產超耐火材料
來自 Skoltech 和托木斯克理工大學的一組研究人員應用了一種用於航空航天工業的獨特技術來合成碳化鉿鉭，這是一種用於在極端條件下運行的電氣和機械部件塗層的耐火材料。一種廉價且有效的方法可以獲得粉末形式和塗料形式的高質量三元化合物，這些化合物可以很容易地應用於各種基材。
顯微鏡下的碳化鉿
研究結果發表在《先進功能材料》雜誌上。過渡金屬碳化物被認為是工業上重要的材料：它們具有超高熔點、高硬度和耐磨性。鉿和鉭的碳化物是最難熔的，最高熔點接近 4000 攝氏度。
假設的鉿和鉭混合碳化物的研究、合成和應用由於提高熔點的可能性而引起了實際興趣，這使得它們可以在極端條件下使用。此外，它們還可以潛在地用作水電解的催化材料。
通常，難熔過渡金屬碳化物的合成需要使用各種特定的燒結、等靜壓等方法，並需要保持高度真空。它們成本高且資源密集。Skoltech、TPU 和 Pirogov 大學的研究人員應用了一種廉價且高效的等離子體動力學方法來合成高質量的鉿-鉭-碳三元化合物，無論是粉末形式還是易於應用的塗層形式到各種基材。
該技術基於加速脈衝等離子體流的產生。自 1960 年代中期以來，類似技術已用於航空航天系統領域。產生的高超音速流可能被認為是等離子槍和等離子發動機中電磁運動的來源。為了解決實際問題，已經提出了各種等離子加速器的設計方案。到20世紀末，它們的應用範圍擴大，影響了各種功能材料的合成。
研究方案：預測成分中不同元素比例的碳化鉿-鉭的穩定相，並以粉末和銅塗層的形式合成它們
其中一種技術，即等離子體動力學合成方法，被科學家採用以獲得碳化鉿鉭。「起初，我們將大量能量注入電容式儲能裝置，並使用 TPU 開發的獨特科學設施——同軸磁等離子體加速器，其中放置了源材料：粉末狀碳、鉿和鉭氧化物。
當電容器放電時，會產生電弧，將原材料立即以每秒五公里的速度變成等離子體流。剩下要做的就是從反應室的壁上收集粉末形式的最終材料，」TPU 研究員和該研究的合著者、TPU 副教授 Dmitry Nikitin 說。
「我們使用最先進的計算方法，以及這些類型的化合物不常見的實驗方法，建立了一條獨特的研究路線，以準確預測具有所需特性的新化合物，然後選擇性和低成本合成新化合物和基於它們的功能材料。
該團隊預測了碳化鉿和鉭的 10 相，它們在所得材料中兩種金屬的相對比例不同，並使用獨特的實驗裝置合成了它們。「這表明，與其他方法不同，我們的方法使我們能夠以高選擇性和準確性控制產品的組成，」Kvashnin 補充道。
順便說一下，「其他方法」是在比正常大氣壓高?一萬倍的壓力和高溫下進行粉末壓制，以及在高真空條件下在放電等離子中燒結。生產碳化鉿鉭所需的極端條件很難實現，此外，這兩種方法都需要將原材料研磨成非常細的粉末以確保產品的均勻性。
除了對原材料和反應器條件要求不高外，研究團隊提出的等離子體動力學合成方法也是一種將碳化鉿鉭塗層應用於任意表面的方法。「我們還將本研究中預測和合成的 10 種化合物中的一部分塗在銅樣品上，」Kvashnin 說。
據研究人員稱，這種硬質合金塗層可用於熱絕緣和電絕緣，以及防止機械損傷。「如果我們把這塊銅想像成一根電纜，那麼通過在它上面塗上碳化鉿鉭，我們使這條電纜的強度提高了大約 10 倍，並且還提供了它的電絕緣和熱保護，」研究人員繼續說道。「在惡劣環境中發揮作用的其他組件也可以從這種塗層中受益。例如，如果將它們應用於滾珠軸承中的滾珠，則其耐磨性將顯著提高。」
托木斯克理工大學「未來能源」戰略項目負責人亞歷山大·帕克在 2030 年優先計劃框架內評論了工作成果：「這項研究也非常重要，因為預測和合成的金屬碳化物納米粉末可用於分解水和制氫的催化系統。TPU 生態能源中心和 Skoltech 能源轉型項目中心之間的合作可以為現代能源創造令人印象深刻的新材料。」
