Томские ученые создают новые методы для получения сложных материалов

В Томском научном центре СО РАН разрабатываются новые эффективные способы получения карбидов, нитридов и боридов титана и циркония. Материалы на их основе применяются для теплозащиты в аэрокосмической отрасли, используются в атомной энергетике, а также при создании высокотемпературной техники. 

Проект выполняется в рамках трехгодичного гранта РФФИ под руководством заведующего лабораторией новых металлургических процессов ТНЦ СО РАН профессора, доктора технических наук Юрия Михайловича Максимова.

«Получить такие соединения — задача весьма непростая, необходимым условием является высокая температура (более 1500 °C). Использование высокотемпературных печей для нагрева сопряжено с большими затратами электроэнергии, неэффективным использованием тепловой энергии, так как нагревать приходится не только сам материал, но и камеру, внутрь которой он помещен. Поэтому большой интерес вызывают энергосберегающие технологии получения такого класса материалов, как, например, синтез в режиме горения. С помощью горения термитных систем из относительно недорого сырья — оксидов — можно получать различные металлы, сплавы и их соединения, — рассказывает научный сотрудник лаборатории новых металлургических процессов ТНЦ СО РАН Александр Николаевич Аврамчик.

В ходе реализации проекта исследуются фундаментальные основы применения металлотермических методов, которые предполагают применение металлов-восстановителей. Они вытесняют из соединений менее активные металлы, а также служат источником нагрева. Традиционно одним из самых сильных и часто применяемых восстановителей является кальций. Однако в некоторых случаях (при восстановлении урана или редкоземельных металлов) тепла, выделяющегося в ходе горения, оказывается недостаточно для получения необходимого соединения в волне горения. 

Как поясняет Александр Аврамчик, новый путь решения этой проблемы, не предполагающий применения внешнего источника нагрева, — введение экзотермических добавок. Одной из таких эффективных добавок, открывающих качественно новые возможности при получении тугоплавких соединений, является смесь иодата кальция с металлическим кальцием. 

«Иодат кальция существует в природе в виде минерала — лаутарита, это принципиально важно, так как показывает устойчивость соединения в условиях окружающей среды в течение длительного времени», — говорит ученый.

При высоких температурах иодат кальция разлагается с выделением газообразного йода и кислорода, благодаря чему происходит активация процессов восстановления оксидов в режиме горения. В России исследования, изучающие возможности применения таких экзотермических добавок, ранее не проводились.

Ученые ТНЦ СО РАН уже осуществили термодинамическое моделирование и экспериментальное исследование свойств иодата кальция и процессов синтеза тугоплавких соединений с его участием. В ходе работ удалось изучить и описать превращения иодата кальция при его нагреве, рассчитать температуры горения, а также изучить закономерности горения соединений и состав получаемых в ходе реакций продуктов. 

Специалистам удалось провести процесс восстановления металлов в режиме горения при температуре ниже 1000 °C, хотя, как правило, такие процессы могут протекать при показателе не ниже 1500 °C. Возможность синтеза тугоплавких соединений при температуре ниже 1000 °C открывает новые перспективы: в частности, проведение технологического процесса в более мягких условиях, что влечет за собой получение порошков с иными свойствами и размерами (более мелкими), а также позволяет снизить температурную нагрузку на материал технологического оборудования. 

Пресс-центр ТНЦ СО РАН