Ученые Института физики прочности и материаловедения СО РАН получили уникальные слоисто-градиентные керамические композиты на основе оксида алюминия и карбида циркония — материалов с разными коэффициентами теплового расширения. Такая необычная керамика способна выдерживать температуру до трех и более тысяч градусов и может быть использована в качестве термоизоляционного или теплозащитного материала для высокоэнергетических агрегатов. Полученные результаты опубликованы в высокорейтинговом журналеMaterials Characterization(Q1).
Исследования выполняются при поддержке научного центра мирового уровня «Новые материалы специального назначения», координатором которого является Томский государственный университет.
На основе высокотемпературных слоисто-градиентных керамических композитов могут создаваться изделия с уникальными свойствами: регулируемой электропроводностью и теплопроводностью, химической стойкостью к агрессивным средам, что делает их востребованными в электронике, энергетике, аэрокосмической отрасли.
— Главной особенностью таких керамических композитов является их градиентная структура, которая обеспечивает плавное изменение свойств от одного слоя к другому. Материалы в этом случае наносятся послойно методом горячего прессования в вакууме: от чистого оксида алюминия постепенно переходя к чистому карбиду циркония, а между этими слоями располагаются промежуточные слои, состоящие из смеси обоих материалов в различных пропорциях, — отметил научный сотрудник лаборатории физической мезомеханики и неразрушающих методов контроля ИФПМ СО РАН, кандидат физико-математических наукАлесь Буяков.
Как пояснилАлесь Буяков, из-за разницы коэффициентов теплового расширения оксида алюминия и карбида циркония процессы образования трещин в них протекают по-разному и с разной скоростью. Если карбид циркония, подобно капкану, формирует сжимающие напряжения, которые тормозят распространение трещин, то оксид алюминия, напротив, испытывает растягивающие напряжения, способные ускорить рост трещин.
Такую структуру легко представить в виде палитры, на которой видны постепенные переходы от одного цвета к другому: постепенно изменяя состав материала от одного слоя к другому, можно уменьшить концентрацию напряжений на границе раздела материалов, тем самым снижая риски расслоения, образования трещин и дефектов. В результате серии экспериментов исследователи выявили, что максимальную трещиностойкость керамических композитов обеспечивают пять или шесть слоев.
Многослойные трещиностойкие керамические композиты
Иллюстрация из статьи
Кроме того, как показали исследования, повреждения в слоисто-градиентных керамических композитах можно «залечивать».
— За счет управления фазовым составом и компонентной структурой керамических материалов создаются условия, при которых различные трещины, микросколы и другие повреждения внешней поверхности, возникающие при работе в высокотемпературной воздушной среде, «залечиваются». Это происходит благодаря контролируемому взаимодействию материала с окружающими газами, в результате чего образуются новые фазы: оксидные, силикатные, боросиликатные, а также армированные структуры. Поверхностные дефекты заполняются ими и восстанавливаются, тем самым позволяя вернуть до 80 % первоначальной прочности материала, — пояснилАлесь Буяков.
Исследования выполняются в рамках реализации программы развития научного центра мирового уровня «Новые материалы специального назначения». В консорциум организаций-участников входятИФПМ СО РАН, Томский национальный исследовательский медицинский центр РАН и Севастопольский государственный университет под координацией Томского государственного университета.
Ольга Булгакова,пресс-служба ТНЦ СО РАН