Ученые ТПУ нашли эффективный способ создания вязких композиционных материалов
Ученые Томского политехнического университета разработали новые ламинированные композиты на основе MAX-фаз с высокой механической прочностью и вязкостью разрушения. Они впервые применили прекерамические бумаги и металлические фольги из ниобия при формировании таких слоистых материалов. Добавление слоев ниобия позволило существенно повысить вязкость разрушения композитов. Это делает их потенциально пригодными для создания высоконагруженных деталей и высокотемпературных конструкционных материалов, применяемых в машиностроении и авиационной технике.
Развитие современных технологий в авиакосмической и транспортной технике требует создания новых материалов для деталей и узлов агрегатов, эксплуатируемых при высоких температурах, механических нагрузках и в условиях агрессивных сред. Одними из перспективных материалов считаются так называемые MAX-фазы. Они представляют собой наноламинатные структуры и сочетают в себе свойства, характерные как для металлов, так и для керамики. Однако они являются хрупкими при невысоких температурах.
Исследователи добавили между слоями керамики фольги из ниобия, который отличается высокой температурой плавления и пластичностью. После чего подвергли их процессу искрового плазменного спекания. В результате были получены многослойные композиты различной архитектуры с улучшенными механическими свойствами.
«Добавление более пластичной металлической фазы — ниобия — позволило значительно повысить вязкость разрушения при сохранении преимуществ керамических материалов на основе МАХ-фаз. Благодаря этому полученный материал становится менее хрупким. При этом он выдерживает высокие степени деформации без полного разрушения», — комментирует заведующий лабораторией перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем Егор Кашкаров.
Еще одна особенность полученных композитов заключается в том, что ученые использовали в качестве исходного сырья прекерамическую бумагу — композиционный материал, состоящий преимущественно из целлюлозных волокон и наполнителя. Ее применение позволяет получать равномерные по толщине материалы с заданной структурой и свойствами.
В рамках исследования политехники изучили как протекает процесс спекания, установили закономерности взаимодействия металла и керамики в процессе получения материала. Также было изучено влияние различной архитектуры материала, то есть толщины индивидуальных слоев, на конечные механические свойства композитов.
В планах политехников провести аналогичные эксперименты при создании композитов на основе MAX-фаз с добавлением слоев других металлов, например, тантала. Результатом фундаментальных исследований в рамках проекта станет разработка рекомендаций по формированию перспективных коррозионностойких и высокопрочных ламинированных металл-керамических композитов. В частности, будут определены уровни температуры, механических нагрузок и другие условия эксплуатации разрабатываемых материалов.
Фото: получение прекерамических бумаг в научной лаборатории перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем ТПУ