Учёные Политеха запатентовали новый способ синтеза композиционных материалов

Новая технология

– Сегодня производители керметов сталкиваются с двумя серьёзными проблемами, – рассказывает Эмиль Умеров. – Во-первых, синтез большинства керамических соединений проводится с помощью высокотемпературных печей, занимает длительное время и часто нуждается в защитной атмосфере, предотвращающей окисление. Во-вторых, процесс соединения керамики и металла различной природы в единый материал отличается высокой энергоёмкостью. Жидкие металлы, как правило, плохо смачивают керамические материалы, что требует дополнительной энергии для обеспечения их прочной связи.

Новая технология, разработанная Умеровым под руководством завкафедрой «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» Александра Амосова и доцента Евгения Латухина, позволяет эти проблемы устранить. Так, молодой учёный предложил сочетать метод саморспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) для создания пористой керамической заготовки на воздухе с методом самопроизвольной инфильтрации расплавом металла.

– Преимущество нашего способа заключается в том, что он требует минимальных энергозатрат, ведь керамическое соединение синтезируется в самопроизвольном режиме при реакции порошков металлов и неметаллов, – говорит Умеров. – Дело в том, что в процессе синтеза выделяется большое количество энергии, что приводит к саморазогреву керамического продукта до очень высоких температур (до 3000 °С). Кроме того, мы научились получать керамику в виде мелкопористого тела, что позволяет проводить её пропитку жидким металлом за счёт капиллярного эффекта смачивания. То есть под воздействием высокой температуры жидкость растекается по твёрдому керамическому телу и самопроизвольно проникает в открытые мелкие поры (от нескольких микрометров до миллиметра), заполняя все доступное пространство. К тому же, наша технология не требует специального и дорогого оборудования.

Новые керметы

Разработанную технологию Эмиль Умеров экспериментально апробировал для изготовления композитов семейства «MAX-металл», в основе которых лежат МАХ-фазы.

– МАХ-фаза – это относительно новый класс керамических материалов с некоторыми свойствами металлов, – рассказывает учёный. – Как правило, они состоят из трёх химических элементов (титан, кремний или алюминий и углерод), а их структура представляет собой чередующиеся слои толщиной в один атом. Такое строение наделяет МАХ-фазы особыми свойствами: устойчивость к тепловым и механическим ударам, трещиностойкость, электропроводность. Но они довольно хрупкие. Для повышения прочности материала как раз и создают композиты на основе МАХ-фаз, например MAX-металлы. В них совмещаются положительные свойства металла и керамики, а благодаря наноламинатной (слоистой) структуре МАХ-фазы они становятся устойчивыми к повреждениям при механических и тепловых ударах.

По разработанной технологии Умеров получил образцы новых СВС-керметов – карбосилицид титана – карбид титана – олово (Ti3SiC2-TiC-Sn) и карбосилицид титана – карбид титана – олово-свинец (Ti3SiC2-TiC-(Sn-Pb)). Особенность этих материалов заключается в их особой скелетной структуре, схожей по строению с биологическими материалами, например с костями или древесиной. Благодаря тому, что металл находится в порах керамики, два разнородных материала соединены между собой во всех трёх измерениях в единый цельный композит. Это наделяет материал повышенной жёсткостью, твёрдостью и прочностью, обеспечивая износостойкость и трещиностойкость при сохранении тепло- и электропроводности.

Немного о перспективах

Предложенная политеховцами технология получения керметов находится на раннем этапе разработки. Сейчас основные усилия исследователи планируют направить на создание конкретных материалов с необходимым комплексом служебных свойств.

– Наиболее перспективная сфера совершенствования материалов – триботехника. Мы можем синтезировать антифрикционные и износостойкие композиты для подшипников или торцевых уплотнений насосов, а также защитные материалы для ядерной энергетики, – говорит Эмиль Умеров. – А керметы на основе меди или алюминия будут востребованы в качестве электродов, электроконтактных материалов в токосъёмниках, используемых на современном высокоскоростном железнодорожном транспорте. Ещё одно интересное направление – это получение биосовместимых керамико-металлических композитов для производства костных имплантатов.

Молодой учёный также отмечает, что универсальность и масштабируемость политеховского способа позволяет эффективно сочетать его с другими известными технологиями. Например, синергия с аддитивным производством позволила бы открыть новые сферы применения разрабатываемых керметов.

Научные достижения учёных Политеха получили признание на всероссийском и международном уровне

2020 год
Александр Амосов,
Евгений Латухин
и Эмиль Умеров

• Выиграли грант Российского фонда фундаментальных исследований на выполнение проекта «Разработка и исследование нового метода получения керамико-металлических композиционных материалов с применением горения для синтеза керамического каркаса»;
• Получили патент на изобретение №2733524 «Способ получения керамико-металлических композиционных материалов».

2024 год
Эмиль Умеров

• Стал победителем XХIV Всероссийского конкурса «Инженер года – 2023» в направлении «Керамическое производство»;
• Был удостоен Премии посла Китая в номинации «Новые материалы».

Так в Политехе создают кермет:

• Из смеси порошков титана и углерода путём прессования под давлением 20 МПа получают цилиндрическую заготовку.
• Спрессованный образец помещают в реактор открытого типа и поджигают.
• При температуре до 3000 градусов в заготовке начинается процесс СВС.
• Получается пористый карбид титана – керамическая основа для будущего композита.
• В горячую основу заливают расплав металла, который самостоятельно пропитывает все поры карбида титана.
• После полного остывания образуется кермет – керамико-металлический композит.