Исследователи из Томского политехнического университета (ТПУ) успешно синтезировали новый вид сверхвысокотемпературной керамики без использования вакуумного оборудования, прямо на открытом воздухе. Этот прорывной материал обладает потенциалом для применения в таких критически важных областях, как аэрокосмическая индустрия, атомная энергетика и производство высокопрочных режущих инструментов. По данным ученых, уникальность достижения заключается в применении совершенно нового метода, результаты которого были опубликованы в престижном издании International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.

Высокоэнтропийные бориды, являющиеся соединениями металлов с бором, представляют собой класс керамических материалов, активно изучаемых на протяжении последнего десятилетия. Эти вещества способны выдерживать экстремальные температуры, превышающие 3000 °C, и отличаются исключительной твердостью, а также высокой устойчивостью к коррозии и окислению. Такие характеристики делают их идеальными для создания компонентов высокотемпературных двигателей, ядерных реакторов, промышленных печей и другого оборудования, функционирующего в агрессивных условиях, как сообщили представители ТПУ.

Несмотря на значительный теоретический потенциал высокоэнтропийных боридов, их массовое производство до сих пор не было налажено ни в одной стране мира. Традиционные методы синтеза требуют дорогостоящего специализированного оборудования, высоких температур и инертной атмосферы для минимизации химической реактивности, а также являются весьма времязатратными.

Команда лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли ТПУ предложила значительно более простой и экономичный подход – безвакуумный электродуговой метод. Суть метода заключается в синтезе боридов с использованием дугового разряда постоянного тока, который позволяет быстро достигать чрезвычайно высоких температур за период от нескольких секунд до нескольких минут.

Ученые объяснили, что в процессе дугового разряда естественным образом формируется защитная атмосфера из угарного и углекислого газов. Эта газовая оболочка эффективно предотвращает окисление синтезируемого продукта кислородом воздуха. Таким образом, бориды можно производить на открытом воздухе, что устраняет необходимость в дорогостоящем вакуумном и газовом оборудовании. Этот инновационный подход существенно упрощает технологический процесс, снижает энергозатраты и значительно повышает общую производительность.

Александр Пак, заведующий лабораторией ТПУ, уточнил: «В отличие от предыдущих исследований, мы использовали трехфазный дуговой реактор с увеличенной электрической мощностью, что позволило обрабатывать большие объемы исходного сырья.»

Согласно его заявлению, из полученных высокоэнтропийных боридов были изготовлены керамические образцы с плотностью до 96,5% и впечатляющей твердостью в 28,8 гигапаскалей, что в десять раз превышает твердость стали.

Арина Свинухова, младший научный сотрудник той же лаборатории, добавила: «В 2024 году на ТПУ мы уже успешно синтезировали диборид титана – известный сверхвысокотемпературный керамический материал, применяемый в ядерных реакторах, используя электродуговой плазменный метод на открытом воздухе. На нынешнем этапе мы продвинулись дальше, создав высокоэнтропийный борид, который, помимо бора и титана, содержит также цирконий, ниобий, гафний и тантал.»

Она подчеркнула, что варьирование состава металлических боридов открывает возможности для целенаправленного управления их свойствами, что критически важно для разработки материалов нового поколения. «Полученные нами образцы объемной керамики по твердости не уступают, а в некоторых случаях даже превосходят аналоги, описанные в научной литературе, полученные традиционными порошковыми методами», — заключила Свинухова.

В ближайших планах исследователей – продолжение работы над синтезом как уже известных, так и новых высокоэнтропийных боридов с разнообразными составами. Данное исследование было поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).

Tomsk Scientists Develop «Space-Grade» Ceramics in Open Air

Researchers at Tomsk Polytechnic University (TPU) have successfully synthesized a new type of ultra-high-temperature ceramics in open air, without the need for vacuum equipment. This breakthrough material holds significant potential for applications in critical sectors such as the aerospace industry, nuclear energy, and the manufacturing of high-strength cutting tools. According to the scientists, this achievement is remarkable due to the novel method employed, and the findings have been published in the esteemed International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.

High-entropy borides, which are compounds of metals with boron, represent a class of ultra-high-temperature ceramics that have been extensively studied over the past decade. Materials based on borides can withstand extreme temperatures exceeding 3000 °C and exhibit exceptional hardness, along with high resistance to corrosion and oxidation. These properties make them ideal for creating components for high-temperature engines, nuclear reactors, industrial furnaces, and other equipment operating in aggressive environments, as reported by TPU representatives.

Despite the significant theoretical potential of high-entropy borides, their mass production has not yet been established anywhere in the world. Traditional synthesis methods typically require expensive, specialized equipment, high temperatures, and inert atmospheres to minimize chemical reactivity, in addition to being very time-consuming.

The team from TPU`s Laboratory for Advanced Materials in the Energy Sector proposed a much simpler and more accessible approach: a vacuum-free electric arc synthesis method. This technique involves synthesizing borides using a direct current electric arc discharge, which allows for achieving extremely high temperatures rapidly, within just a few seconds to several minutes.

The scientists explained that during the electric arc discharge, a self-protective atmosphere of carbon monoxide and carbon dioxide gases naturally forms. This gaseous envelope effectively prevents the oxidation of the synthesized product by atmospheric oxygen. Consequently, borides can be produced in open air, eliminating the need for costly vacuum and gas equipment. This innovative approach significantly streamlines the technological process, reduces energy consumption, and substantially boosts overall productivity.

Alexander Pak, head of the TPU laboratory, clarified: «Unlike previous studies, we utilized a three-phase electric arc reactor with increased electrical power, enabling us to process larger volumes of raw materials.»

According to his statement, the synthesized high-entropy borides were used to create bulk ceramic samples with a density of up to 96.5 percent and an impressive hardness of 28.8 gigapascals, which is ten times harder than steel.

Arina Svinukhova, a junior researcher at the same laboratory, added: «In 2024, TPU successfully synthesized titanium diboride – a known ultra-high-temperature ceramic material used in nuclear reactors – in open air using an electric arc plasma method. In this new phase, we have advanced further by creating a high-entropy boride that, in addition to boron and titanium, also contains zirconium, niobium, hafnium, and tantalum.»

She emphasized that varying the composition of metallic borides offers possibilities for precisely controlling their properties, which is crucial for developing next-generation materials. «The bulk ceramic samples we obtained are comparable in hardness to, and in some cases even surpass, analogous materials described in scientific literature that were produced using traditional powder methods,» Svinukhova concluded.

The researchers` future plans include continuing their work on synthesizing both known and novel high-entropy borides with diverse compositions. This research was supported by a grant from the Russian Science Foundation (RSF).