Ученые ТГУ впервые в России синтезировали самую твердую и самосмазывающуюся керамику для оборудования
Учёные ТГУ продолжают работу над композитной «скользкой» керамикой AlMgB14 - алюминий-магний-бор - ее образцы уже были получены в ходе ряда экспериментов. До этого в России никто не синтезировал AlMgB14, сообщает пресс-служба вуза.
«У этого материала есть уникальное свойство – он самосмазывающийся, поэтому у него аномально низкий коэффициент трения. Детали из этого соединения обеспечивают бесшумную работу приборов, потребление энергии может снизиться в несколько раз, при этом одновременно вырастет износостойкость. Новый материал может применяться во многих отраслях: машиностроении, авиастроении, производстве бытовой техники», - сообщает пресс-служба вуза.
Твердость полученных композитов на 40% выше, чем в образцах без добавок, а коэффициент трения практически в два раза ниже, чем у смазанной полированной стали.
На первом этапе команда учёных получила образцы материала, которые по свойствам соотносились с зарубежными аналогами – высокая твердость – 32 ГПа и низкий коэффициент трения – менее 0,07. При этом в полученных образцах было 97% соединения AlMgB14 и 3% примесей. На их основе учёные разработали композитный материал – в «чистый» AlMgB14 добавили диборид титана – и твердость увеличилась на 40%.
– Мы предложили новый способ получения композиционных материалов на основе AlMgB14: порошки создаются при помощи самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, а потом с использованием искрового плазменного спекания мы получаем образец «скользкой» керамики, – рассказал Илья Жуков, зав. лаб. нанотехнологий металлургии ТГУ. – Благодаря новому методу твердость материала возросла до 46 ГПа – этот показатель выше, чем у зарубежных композитных аналогов и составляет больше половины твердости алмаза. Кроме того, коэффициент трения остался низким – практически в 2 раза ниже, чем у смазанной полированной стали.
Кроме того, использование метода искрового плазменного спекания позволило снизить пористость «скользкой» керамики – учёные получили практически нулевые показатели. Эксперименты проходили в Нижегородском физико-техническом институте – соисполнителе проекта РНФ.
– Проблема всей керамики в том, что очень сложно получить высокоплотный материал, а пористость напрямую влияет на физико-механические свойства, – отметил Илья Жуков.
Ближайшие аналоги соединения AlMgB14 – это оксид алюминия, диоксид циркония, и они не такие «скользкие». У этих материалов коэффициент трения варьируется от 0,12 до 0,7, в то время как коэффициент трения AlMgB14 в 6 раз меньше. Он меньше и чем у популярного тефлона.
Керамическое покрытие наносят на детали методом магнетронного распыления. Для этого из материала на основе AlMgB14 готовится так называемая мишень – диск, который распыляется на нужную поверхность, когда на него посылают сильный магнитный импульс. Стоимость производства такого диска, по предварительным оценкам, варьируется от 10 до 15 тысяч рублей, в то время как диски из других материалов обойдутся в 15–30 тысяч рублей.
Результаты работы томских учёных опубликованы в международных журналах Materials today communication (статья про использование нестандартных порошков, которые учёные ТГУ изготавливают сами) и Ceramics International (статья об использовании экзотермической реакции для получения AlMgB14). Кроме того, материаловеды представили результаты на ежегодной международной конференции в США The Minerals, Metals & Materials Society 2020, их работой заинтересовались представители Ассоциации бразильской металлургии, материаловедения и горного дела.
Следующий шаг – это изготовление большой серии образцов для проверки коэффициента теплового расширения – его важно знать для использования материала в качестве покрытия на сталь, титан и т.д. Также учёные проанализируют теплопроводность, электропроводность и механическое поведение материала.
Инициатором проекта по разработке отечественного аналога «скользкой» керамики является зав. лаб. нанотехнологий металлургии ТГУ Илья Жуков. Проект уже второй раз поддержан грантом РНФ в рамках Президентской программы исследовательских проектов. Соисполнителями гранта РНФ являются Нижегородский физико-технический институт и представители Санкт-Петербургского государственного технологического института.