ОРЕАНДА-НОВОСТИ. Учёные Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН совместно с коллегами из Института химии твёрдого тела и механохимии СО РАН разработали новую технологию получения изделий из карбида гафния - материала с самой высокой температурой плавления.
 
Карбид гафний настолько термоустойчивый, что сможет не только выдержать тепловые нагрузки, возникающие при движении гиперзвуковых летательных аппаратов в плотных слоях атмосферы, но и обеспечить ускорители мощными и долговечными катодами. При классической технологии производства на его получение уходит несколько часов, в то время как предложенный учёными метод электронно-лучевой сварки позволяет получить тот же результат за несколько минут. Уникальные свойства карбида гафния (соединения гафния с углеродом, химическая формула HFC) – тугоплавкость и высокая стойкость к коррозии - известны давно. В основном его используют при изготовлении оборудования для ядерных реакторов.

Получить монолитные изделия из этого материала очень сложно: температура его плавления – 3953 градусов Цельсия, а максимально возможная температура в печи – примерно 2 500 градусов Цельсия. Это значит, что полностью расплавить карбид не получится никогда, поэтому при традиционной технологии, сначала получают карбид гафния нагревом смеси порошков гафния и углерода, затем его размалывают, как можно мельче, прессуют и спекают, как керамику, десятки часов, при максимально возможной температуре. Такое производство выходит энергозатратным и дорогим, а материал пористым, что плохо сказывается на его свойствах.

Сибирские учёные нашли более эффективный и дешёвый способ его получения. На первом этапе порошки углерода и гафния подвергают процессу механоактивации путём прокручивания в шаровой мельнице – специальном устройстве для смешивания и измельчения твёрдых веществ до микроразмеров. В результате получается порошок из мельчайших частиц, в которых чередуются слои углерода и гафния, так называемый механокомпозит – заготовка для будущего карбида. В таком состоянии повышается реакционная способность материала.

Получившийся «микропорошок» исследуют на экспериментальной станции синхротронного излучения «Дифрактометрия в жестком рентгеновском диапазоне», на ускорителе ВЭПП-3 Сибирского центра синхротронного излучения ИЯФ СО РАН. Синхротронным называется любое излучение, которое возникает в результате поворота пучка заряженных частиц высоких энергий в пространстве. Здесь используется коротковолновое излучение с большой проникающей способностью, за счет чего возможно исследовать структуру всего образца целиком, а не только его поверхности.

Третий этап – нагревание смеси и запуск химических реакций направленным пучком электронов на установке для электронно-лучевой сварки. На этом этапе учёные столкнулись с вопросом, в чём расплавить самое тугоплавкое соединение. В итоге решено было сделать так, чтобы карбид плавился «сам в себе»: технология строится так, что жидкий материал находится «в кольце» порошкообразного. В дальнейшем используется метод послойного добавления сырья, применяемый также для печати на 3D принтере: рисунок создаётся при помощи электронного пучка на первом слое порошка, затем подсыпается новый слой, процесс повторяется – и так до тех пор, пока форма не будет отлита полностью. Заключительный этап – контрольное просвечивание синхротронным излучением. В противовес классическому многочасовому спеканию в печи новый метод позволяет получать готовые детали за несколько минут.

Такой подход может применяться и для получения других, более дешёвых материалов с подобными свойствами, в первую очередь, карбидов и боридов тугоплавких металлов – тантала, вольфрама, молибдена, отмечает старший научный сотрудник ИХТТМ СО РАН, кандидат химических наук Алексей Анчаров. Карбид гафния с успехом может применяться в сфере ракетостроения в качестве внешнего покрытия для теплозащитных оболочек возвращаемых космических аппаратов типа «Буран». При помощи аддитивных технологий (послойного наложения материалов) можно создавать композиционные покрытия с градиентом теплопроводности: первый слой должен выдерживать высокие температуры, возникающие при контакте с атмосферой, второй и последующие - плавно распределять тепло, а также изолировать от него внутреннею часть аппарата.

Тугоплавкость и высокая способность отдавать электроны делает карбид гафния идеальным материалом для катодов ускорителей. Речь идёт не только об исследовательских коллайдерах, но и о промышленных ускорителях. Они, например, применяются для очистки выбросов электростанций и промышленных сточных вод, а также для электронно-лучевой стерилизации в медицине, фармакологии и пищевой промышленности.