Ученые из Сколковского института науки и технологий (Сколтех) и Томского политехнического университета применили метод плазмодинамического синтеза для получения двух материалов в виде нанопорошков и покрытий. Этими материалами являются карбид – соединение титана, циркония, ниобия, гафния и тантала с углеродом – и карбонитрид, твердый раствор, образованный карбидами и нитридами переходных металлов. Результаты исследования были опубликованы в журнале Journal of Alloys and Compounds.
Соединения с высокой энтропией – это соединения, содержащие не менее пяти различных элементов. Среди таких соединений – карбид и карбонитрид, синтезированные учёными из Сколтеха и Томского политехнического университета из титана, циркония, ниобия, гафния и тантала. Учёные считают, что механические свойства и температурная стабильность карбида делают его одним из наиболее подходящих материалов для изготовления сверхвысокотемпературных керамических элементов. Однако синтез карбида – очень трудоёмкий процесс: обычно он требует тщательной подготовки сырья и занимает много времени при сверхвысоких температурах (около 2200–2300 °C).
На первом этапе исследования учёные смоделировали различные структуры карбонитридов с разной концентрацией азота и углерода, а также изучили их термодинамическую стабильность при разных температурах. Авторы пришли к выводу, что большое количество азота может вызвать механическое повреждение кристаллической структуры материала, негативно влияя на его стабильность. Затем учёные получили карбид и карбонитрид методом плазмодинамического синтеза, при котором высокоскоростная струя дуговой плазмы используется в качестве среды для реакций плазмохимического синтеза.
«В нашей статье описывается использование уникального исследовательского устройства: коаксиального магнитоплазменного ускорителя. За время импульса менее 1 миллисекунды формируется высокоскоростная плазменная струя, достигающая температуры, давления и скорости кристаллизации, необходимых для получения уникальных наноматериалов. «Совместно с нашими коллегами из Сколтеха мы использовали методы компьютерного проектирования, чтобы в ходе эксперимента объединить Ti, Zr, Nb, Hf, Ta, C и N в единую структуру», – цитирует Сколтех Дмитрия Никитина, кандидата технических наук.
Исследование показало, что метод плазмодинамического синтеза не требует специальной подготовки сырья и является универсальным, позволяя синтезировать широкий спектр материалов: карбиды, нитриды, оксиды, углеродные наноструктуры и производные композиты. Этот метод позволяет не только получать высокоэнтропийные карбиды, но и вводить азот в их кристаллическую решётку, синтезируя структуры, близкие к карбонитридам.