Трещиностойкость материала для авиастроения повышена в 1,5 раза

Ученые НИТУ «МИСиС» нашли способ в 1,5 раза повысить трещиностойкость карбида кремния — перспективного конструкционного материала для производства огнеупорных деталей. Таких результатов удалось добиться благодаря формированию в структуре армирующих нановолокон. В перспективе технология позволит расширить области применения карбида кремния в качестве конструкционного и огнеупорного материала, в том числе для авиастроения. Статья о разработке опубликована в Ceramics International.

Мировой рынок карбида кремния по состоянию на 2019 год оценивается в 2,58 млрд долларов США, и прогнозируется его рост на 16% в год. Карбид кремния практически не встречается в природе, поэтому перспективный материал синтезируется искусственно.

Карбид кремния находит все более широкое применение в различных отраслях промышленности в качестве полупроводника, конструкционного материала, абразива и огнеупора. Например, его применение для изготовления лопаток турбин и деталей двигателей внутреннего сгорания позволило бы существенно поднять рабочие температуры в двигателях и заметно повысить их характеристики: мощность, тяговую силу, КПД, экологичность и др. Также карбидокремниевая керамика, для производства которой используются полевой шпат и кварцевый песок, может успешно заменить детали из сплавов, содержащих дефицитные кобальт, никель и хром, применяющиеся в моторостроении.

Ключевая проблема карбидокремниевой керамики — она прекрасно работает на сжатие, но очень чувствительна к структурным дефектам и поэтому зачастую имеет малую прочность на растяжение и изгиб, а также низкую трещиностойкость.

Ученые НИТУ «МИСиС» нашли способ улучшить спекаемость и повысить прочность на изгиб и трещиностойкость карбидокремниевой керамики за счет формирования в ней армирующих нановолокон по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Синтез проводился в несколько этапов. Сначала порошки кремния, углерода, а также тантала и тефлона замешивались в планетарной мельнице, затем полученная смесь сжигалась в реакторе. Как раз в процессе горения происходило формирование нановолокон. Последний этап — спекание изделия в вакуумной печи.

«Благодаря эффекту комбинированной добавки тантала и тефлона нам удалось синтезировать материал с карбидокремниевой матрицей, упрочненной карбидокремниевыми нановолокнами. Эти нановолокна активируют спекание керамики и повышают прочностные характеристики спеченного материала, так как они служат барьером для распространения трещин», — рассказывает автор работы, кандидат технических наук, сотрудник Научно-учебного центра самораспростаняющегося высокотемпературного синтеза МИСиС-ИСМАН Степан Воротыло.

За счет формирования нановолокон удалось значительно снизить требуемые температуры и выдержки при вакуумном спекании — с многочасовой выдержки при 1800-2000°C до 1 часа при 1450°C.

Далее ученые планируют продолжить работу над повышением трещиностойкости и прочности материала. Совмещение хороших механических характеристик и экономичности производственного процесса, позволит расширить области применения карбида кремния в качестве конструкционного и огнеупорного материала.


Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»