13 октября 2025
МОСКВА — Исследователи Томского политехнического университета (ТПУ) совершили значительный прорыв, синтезировав в обычных атмосферных условиях новую сверхвысокотемпературную керамику. Этот инновационный материал обещает широкое применение в таких стратегических областях, как аэрокосмическая индустрия, атомная энергетика и производство высокопрочных режущих инструментов. По данным ученых, их успех стал возможным благодаря применению уникального, ранее не использовавшегося метода. Подробные результаты этой работы были опубликованы в престижном издании International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.
Образец высокоэнтропийных боридов.
Что такое высокоэнтропийные бориды?
Высокоэнтропийные бориды, представляющие собой соединения металлов с бором, относятся к классу сверхвысокотемпературных керамических материалов, активно изучаемых последние десять лет. Они способны выдерживать экстремальные температуры, превышающие 3000 °C, и отличаются исключительной твердостью, устойчивостью к коррозии и окислению. Благодаря этим характеристикам, бориды идеально подходят для изготовления элементов высокотемпературных двигателей, комплектующих для ядерных реакторов, промышленных печей и другого оборудования, эксплуатируемого в агрессивных условиях, как сообщили представители Томского политеха.
Проблема традиционного производства
Несмотря на огромный потенциал высокоэнтропийных боридов, их массовое производство до сих пор остается нерешенной задачей в мировом масштабе. Традиционные методы синтеза требуют дорогостоящего специализированного оборудования, высоких температур и инертной среды для минимизации химической активности, а также занимают значительное время.
Инновационный подход Томского политеха
Однако команда лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли ТПУ разработала принципиально новый, более простой и доступный подход — безвакуумный электродуговой метод синтеза. С его помощью ученым удалось получить высокоэнтропийные бориды, используя дуговой разряд постоянного тока, который позволяет достигать чрезвычайно высоких температур за считанные секунды или минуты.
Еще один образец разработанных высокоэнтропийных боридов.
Ключевая особенность метода заключается в том, что во время дугового разряда естественным образом формируется защитная атмосфера из угарного и углекислого газов. Эта атмосфера эффективно предотвращает окисление синтезируемого продукта кислородом воздуха. Таким образом, бориды могут быть получены на открытом воздухе, что устраняет необходимость в дорогостоящем вакуумном или газовом оборудовании. Этот инновационный подход существенно упрощает производственный процесс, снижает энергопотребление и значительно увеличивает общую производительность.
В отличие от предыдущих исследований, мы использовали трехфазный дуговой реактор повышенной электрической мощности, что позволило перерабатывать значительно большие объемы сырья.
Впечатляющие характеристики материала
Из синтезированных высокоэнтропийных боридов исследователи успешно изготовили объемные керамические образцы, демонстрирующие плотность до 96,5% и твердость 28,8 гигапаскалей. Для сравнения, это в десять раз тверже обычной стали.
Младший научный сотрудник лаборатории Арина Свинухова добавила: «Если в 2024 году мы уже синтезировали диборид титана – хорошо известный с 1961 года сверхвысокотемпературный керамический материал, широко применяемый в экстремальных условиях, таких как ядерные реакторы – то на данном этапе мы смогли создать высокоэнтропийный борид. Он включает в себя, помимо бора и титана, также цирконий, ниобий, гафний и тантал.»
По словам Свинуховой, возможность изменения состава борида металлов позволяет тонко настраивать его свойства, что критически важно для разработки материалов с заданными характеристиками.
Полученные нами образцы объемной керамики демонстрируют твердость, сравнимую с материалами, полученными другими сложными методами, а в некоторых случаях даже превосходят аналогичные соединения, описанные в научной литературе.
Дальнейшие планы и поддержка
В дальнейшем команда ТПУ планирует продолжить исследования по синтезу как уже известных, так и совершенно новых высокоэнтропийных боридов с разнообразными составами.
Данное исследование было поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).
