俄罗斯科学家在数秒内合成了用于燃气涡轮发动机叶片热障涂层的陶瓷

苏苏的凤尾鱼 2025-03-01 15:22:51

托木斯克理工大学(TPU)和俄罗斯科学院西伯利亚分院布德克核物理研究所(Budker Institute of Nuclear Physics of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (SB RAS))的科学家们开发出了利用快速电子束超快合成高熵陶瓷的技术方法。专家们成功获得了一种基于氧化物陶瓷的材料,这种材料具有独特的强度和防热性能。这种陶瓷的应用领域非常广泛--从电子学和核物理学到催化和生物医学。这项工作旨在为飞机燃气涡轮发动机的结构部件生产隔热涂层。陶瓷的合成是在俄罗斯科学院西伯利亚分院核物理研究所的工业电子加速器 Stand ELV-6 这一独特的科学设施中进行的,它可以在几秒钟内生产出具有所需特性的材料。相关成果已发表在《国际陶瓷》杂志上。这项工作得到了俄罗斯核基金会的资助。高熵陶瓷的合成和烧结是陶瓷材料科学中一个积极发展的方向。这类材料的特点是,它们是至少五种无机化合物的所谓固溶体。五种初始成分的合成可以产生一种单一的化合物,这种化合物的特点是由于材料晶格中元素的无序排列而产生高熵。这种热力学特性的高值使材料更加稳定,更能抵御外部影响。“技术科学博士、热塑性聚氨酯研究领域的领军人物谢尔盖-金加佐夫(Sergey Gyngazov)评论说:"设计出具有高熵的新型陶瓷,就有可能获得具有以前无法实现的特性的材料。- 超高强度、高耐热性、低导热性、巨大的介电常数、超离子导电性、强各向异性热膨胀系数、强电磁波吸收等。这些特性决定了高熵陶瓷的应用范围和前景。也就是说,工业、工程和材料科学的各个领域都需要这种材料"。此类陶瓷是利用合成技术制造的,但目前已知的所有合成方法都非常耗时。例如,高熵陶瓷的固相合成过程可能需要几十个小时,还包括许多额外的高能耗阶段。“谢尔盖-金加佐夫补充说:"在这方面,开发生产高熵陶瓷的高效低能耗技术是现代材料科学的一项紧迫任务,俄罗斯非常重视这一领域。—托木斯克理工大学和 布德克核物理研究所正在合作实施一种非标准方法,通过在工业加速器中用空气中的快速电子加热来合成此类陶瓷。 世界文献中已知的所有获得高熵陶瓷的方法都具有复杂性、持续时间长和所有技术周期能耗高的特点,而俄罗斯科学院西伯利亚分院核物理研究所的电子加速器却能在几秒钟内完成合成过程。考虑到加速器的高效率(约 80%),我们可以说合成高熵陶瓷的时间和能源成本降低了几个数量级"。

在这一阶段,专家们成功合成了具有独特强度和防热性能的陶瓷样品。合成过程耗时 1 至 10 秒。“布德克核物理研究所高级研究员 Mikhail Golkovsky 解释说:"我们研究聚变技术的托木斯克理工大学ELV-6 号展台是一个独特的设施,是世界上唯一一个向大气层释放强大连续电子束的设施。- 电子束的特性--在材料上的直径(1 厘米)、通过在材料表面扫描电子束而变化的照射面积以及电子束的功率密度(每平方厘米高达 80 千瓦)--使我们能够在 1 秒钟内合成材料。换句话说,从不同成分的混合物粉末中,我们可以非常快速地获得由单一化合物组成的整体材料,而无需不必要的技术步骤。俄罗斯科学院西伯利亚分院核物理研究所研究工程师伊万-查金(Ivan Chakin)和俄罗斯科学院西伯利亚分院核物理研究所研究员叶夫根尼-多马罗夫(Evgeny Domarov)操作并改进了这台机器。在这一阶段,研究了合成技术模式,并确定了这些模式与通过电子束加工获得的高熵陶瓷的技术特性之间的相关性。“谢尔盖-金加佐夫补充说:"我们为超快合成氧化物高熵陶瓷奠定了科学基础,这种高熵陶瓷设计用于燃气涡轮飞机发动机叶片等结构件的热障涂层。- 含稀土氧化物的高熵陶瓷样品首次在不超过十秒钟的时间内完成合成。正是这些氧化物使基于它们的涂层获得了独特的强度和防热性能。我们在 ELV-6 成功实现的电子束合成技术可作为获得超复杂陶瓷材料技术的基础。我们将进一步改进该技术,并计划开发超快合成包晶体结构高熵陶瓷的电子束技术,这可能是世界科学界最流行的技术。这些材料在将太阳能转化为电能的工业设备制造中有着广阔的应用前景"。这项工作是在俄罗斯自然基金项目 “在空气中用快速电子加热合成的高熵陶瓷:合成机制、微观结构和特性”№ 23-79-00014 的框架内进行的。

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俄罗斯材料科学与工程领域的研究和应用历史现状