Пресс-центр

Сэндвич с металлами

Газета «Поиск» (г. Москва), 02.09.2023

Дата публикации: 05.09.2023

Идея была интересной, перспективной, даже захватывающей, правда, осуществить ее было далеко не просто. Получить композит с заданными свойствами, соединив разные тугоплавкие материалы. Тантал, ниобий, гафний — металлы дорогостоящие, но не сказать чтобы редкие. В нашей стране их добывают для нужд различных отраслей промышленности, ведь они обладают уникальными свойствами: жаропрочностью, пластичностью, химической и коррозионной стойкостью. Но вместе с тем имеют большой удельный вес и температуру плавления свыше 2300 градусов Цельсия. Так что создать композиты на их основе — задача не из легких. Привычными методами решить ее проблематично: требуются сложное оборудование и большие энергозатраты. И все же группа физиков и металловедов из Института физики твердого тела им. Ю.А.Осипьяна РАН (ИФТТ) и Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г.Мержанова РАН (ИСМАН) провела фундаментальные исследования процессов и механизмов формирования композитов из тугоплавких металлов. Помогла им мощная поддержка — трехгодичный грант Российского фонда фундаментальных исследований (сегодня — РЦНИ). Руководителем работ по этому гранту стала кандидат физико-математических наук Ольга КАМЫНИНА (на снимке), ИФТТ РАН.

Как рассказала Ольга Константиновна, их группа впервые в мире для получения слоистых композитов на основе тугоплавких металлов в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) применила энерговыделяющие ленты. Их получают прокаткой из порошковых смесей (титана с бором, титана с углеродом и титана с кремнием). Главная идея — использовать в качестве соединительных слоев энерговыделяющие ленты, которые в процессе горения формируют слой металлокерамики и соединяют фольги тугоплавких металлов (тантала, ниобия и гафния). Образуется прочный и легкий композиционный материал, состоящий из слоев металлов и металлокерамики. К тому же ему можно придать самые разные свойства, уменьшая количество одного материала и увеличивая присутствие другого. То есть появляется возможность получить композит с заданными, даже уникальными свойствами. Например, при увеличении слоев тантала повысятся пластичность композита и коррозионная стойкость. А увеличение слоев металлокерамики приведет к уменьшению его веса. Если же верхний слой композита сделать из танталовой фольги, то материал выдержит и агрессивную среду (различные кислоты).

СВС — экзотермическая реакция между двумя или более химическими элементами или соединениями. Метод СВС открыли российские ученые Александр Григорьевич Мержанов, Инна Петровна Боровинская и Валентин Михайлович Шкиро более 50 лет назад при изучении горения спрессованных цилиндрических образцов, состоящих из смеси титана и бора. Причем продукты горения представляли собой высококачественные тугоплавкие соединения. Это была сенсация. Для синтеза таких соединений традиционными методами требуются часы, а в условиях СВС волна горения справляется с задачей за секунды, при этом зачастую продукт горения содержит меньше летучих примесей, чем исходная смесь, так как они «выгорают». Открытие дало мощный импульс к развертыванию широких теоретических и экспериментальных исследований на стыке химической физики, теории горения и материаловедения, что привело к формированию нового научного направления — структурной макрокинетики. В дальнейшем для развития этой области исследований один из авторов метода — академик РАН А.Г.Мержанов — организовал новый институт — ИСМАН. Созданная им крупная научная школа в области СВС известна своими многочисленными теоретическими, экспериментальными и прикладными работами высокого уровня.

Возможность соединения металлов, которые с трудом поддаются плавке, интересует множество ученых. Получают композиты самыми разными способами. Ноу-хау группы исследователей из ИФТТ и ИСМАН в том, что с помощью экзотермической реакции им удалось прочно соединить несколько тугоплавких металлов и получить эффективные композиты, выдерживающие температуры более 1000 градусов. Они представляют интерес для специалистов авиационной и ракетно-космической отраслей. Им не страшны агрессивные среды и коррозия, значит, их можно использовать в химической промышленности, а также в отдельных областях машиностроения. В результате проведенных фундаментальных исследований разработчики доказали возможность получения слоистых композитов на основе тугоплавких металлов в режиме горения и определили основные механизмы этого процесса. А в случае заинтересованности в таких материалах готовы участвовать в создании промышленной технологии.

Отметим, что результаты работы опубликованы в ведущих отечественных и зарубежных изданиях. Одна из публикаций только что вышла в российском журнале «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования» (англоязычная версия — Journal of Surface Investigation. X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques). И, что особенно приятно, авторам поступило несколько приглашений участвовать в крупных международных конференциях (поехать, к сожалению, им удалось не на все).

— Ольга Константиновна, когда вы получили грант и как его использовали?

— Это уже второй мой грант по исследованию процессов формирования структурированных композиционных материалов в режиме горения. Первый был в 2015 году, тогда наша группа определила основные механизмы и условия успешного соединения в режиме горения различных материалов. В 2020-м наш творческий коллектив удостоился нового гранта 20-08-00594 (тоже выполнен). Мы предложили оригинальный способ получения слоистых композитов с заданной структурой, которая обеспечивается определенным сочетанием слоев тугоплавких металлов и применением энерговыделяющих лент. Скажу просто: без гранта мы не взялись бы за столь дорогостоящий и перспективный проект. Благодаря финансированию Фонда удалось приобрести дорогие фольги тугоплавких металлов и необходимое оборудование. К тому же мы побывали на представительных конференциях, в том числе международных. Нам было очень важно общение с коллегами, фактически занимающимися теми же вопросами, но использующими другие методы.

У нашей группы есть идеи, как развивать это направление дальше. Экспериментально мы определили механизмы соединения различных металлов, но, честно скажу, у наших композитов есть недостатки. А раз так, то надо приложить все силы, чтобы их минимизировать.

Подготовил Юрий Дризе

Источник: Газета «Поиск»
Фото предоставлено О. Камыниной