Материал будущего
разрабатывают ученые Коми научного центра УрО РАН
Не боятся ударов, перепадов температур и радиации, не ржавеют, поддаются фрезеровке – так можно описать MAX-фазы, разрабатываемые в Институте химии Коми научного центра Уральского отделения РАН. За десятилетия работы ученые смогли создать материалы, которые до этого никто не мог получить.
Термин «MAX-фаза» – это аббревиатура веществ, входящих в материал. Под «M» понимается металл, под «A» обычно скрывается кремний (Si) или алюминий (Al), под «X» – азот (N) или углерод (C). Атомы этих веществ слоями накладываются друг на друга, создавая «пирог на наноуровне». В качестве примера можно привести карбосилицид титана (Ti3SiC2), который послойно строится по принципу: титан – углерод – титан – углерод – титан – кремний.
Первые сообщения о синтезе MAX-фаз в мире появились в 1960-е годы. В Институте химии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН такими материалами занимаются с начала 1990-х, говорит старший научный сотрудник, кандидат химических наук Елена Истомина.
– С Ярегского месторождения около Ухты привезли лейкоксеновый концентрат, то есть оксид титана. С ним начали работать и получили материал, который не могли идентифицировать. Тогда из-за нехватки нужного оборудования не было возможности нормально посмотреть структуру, свойства… Но в итоге смогли определить, что это карбосилицид титана. С этого момента и появилась группа химиков, которая занимается MAX-фазами в Коми научном центре. Ее возглавил тогда Павел Истомин, – рассказала Елена Иннокентьевна.
Такие материалы заинтересовали ученых из-за уникальных свойств: MAX-фазы объединяют в себе качества металла и керамики. С одной стороны, они устойчивы к термическим перепадам в сотни градусов, не боятся ударов и радиации, их можно изменять при помощи токарно-фрезерной обработки. С другой – не подвержены окислению, то есть не ржавеют, причем даже при высоких температурах.
Научная работа сыктывкарских химиков строилась на комбинировании элементов в MAX-фазе, изменении их концентраций и изучении свойств конечных материалов. Исследования продолжаются и сегодня. Стоит лишь упомянуть, что ученые в качестве «параметра A» в «формуле MAX» добавляют только кремний. Также в основе многих синтезируемых веществ лежит титан. Он самый распространенный в мире из тугоплавких веществ. Но ученые из Коми на фоне коллег выгодно отличаются собственным способом синтеза MAX-фаз, который называется немного пугающе для неспециалиста: «вакуумное карбосиликотермическое восстановление».
Обычно MAX-фазы изготавливаются из чистых веществ, например титана, кремния и углерода. Их загружают в печь, в которой синтезируется материал. Химики в Коми НЦ используют в качестве первого компонента оксид металла, то есть соединение его с кислородом. А вторым выступает карбид кремния (SiC). Два этих соединения в виде порошка загружают в вакуумную электропечь, и в итоге получается MAX-фаза (тоже как порошок). Дальше материал под горячим прессованием принимает нужную форму.
Способ химиков из Коми НЦ решает сразу две проблемы. Во-первых, он априори дешевле. Чистые вещества в природе встречаются редко, их надо изготавливать и тратить на это деньги. А оксиды металлов и карбид кремния довольно распространены. Во-вторых, «карбосиликотермическое восстановление» позволяет синтезировать материалы, которые нельзя создать другими способами.
Например, в Коми с 2016 года пытались получить TiZr2SiC2, или карбосилицид титана, легированный цирконием (Zr). То есть добавить в «слоеный пирог» прослойку циркония. Второй металл выбран не случайно – он находится в той же четвертой группе в периодической таблице Менделеева, что и титан. Эти элементы похожи по свойствам и могут заменять друг друга. В то же время цирконий более устойчив к высоким температурам.
– Минус карбосилицида титана был в том, что при 1000 градусов по Цельсию он становится как пластилин. Из-за этого его использование ограничено. Введя цирконий,
мы хотели повысить этот температурный порог перехода из хрупкого состояния в пластичное, – пояснила Елена Истомина.
Получили карбосилицид титана с цирконием в 2020 году. Впервые в мире. Если упрощенно, то в вакуумную печь исследователи добавили третий ингредиент: оксид циркония. В течение еще нескольких последующих лет изучались свойства нового материала. В итоге оказалось, что он становится пластичным при более высоких температурах: при 1400 градусах.
Работы с карбосилицидом титана-циркония продолжаются до сих пор. Например, ученые постепенно увеличивают в соединении количество циркония. Химики ждут, что таким образом смогут повысить еще сильнее температуру перехода в пластичное состояние плавления. Еще одно направление – это добавление в формулу гафния (Hf). Он тоже в четвертой группе в таблице Менделеева и тоже устойчив к высоким температурам.
– В музыке семь нот, а мелодий – огромное количество. У нас же одних «нот» в таблице Менделеева сколько! – говорит Елена Истомина. – Когда ты в чем-то постоянно работаешь, идей становится гораздо больше, чем ты успеваешь их реализовывать.
Благодаря термо- и удароустойчивости MAX-фазы способны пригодиться в двигателестроении, авиации, космической отрасли. Елена Истомина без стеснения называет их «материалом будущего», ведь чем большим комплексом свойств соединение обладает, тем сильнее востребовано. Изучение MAX-фаз активно поддерживается Российским научным фондом, нужным оборудованием с химиками из Коми делятся ученые из института металлургии и материаловедения имени А.А Байкова РАН. Центров по исследованию MAX-фаз
в стране немного, помимо Сыктывкара они в основном базируются в Сибири, Москве или Подмосковье.
– В нашем регионе самая передовая и ведущая группа исследователей MAX-фазы в России. Я не стесняюсь это говорить. Есть соединения, которые впервые в мире получили мы. И статьи про эти вещества публикуются в часто цитируемых научных журналах, например керамического и химического обществ в Европе и Америке. Нас признают во всем мире. Наши исследования действительно нужны, и от этого нам вдвойне интереснее работать. К тому же у нас в перспективе имеются и потенциальные заказчики, готовые приобрести наш материал, – резюмировала Елена Истомина.
Алесей БАТАЛОВ
Фото автора
