Высокотемпературный синтез под прессом помог совместить свойства металлов и керамики

Российские ученые разработали новый способ получения материалов, которые одновременно обладают свойствами металлов и керамики, – MAX-фаз. В будущем их можно будет использовать в качестве высокотемпературных нагревательных элементов. Результаты работы опубликованы в Ceramics International.

МАХ-фазами называют слоистые керамические материалы, которые содержат в своем составе три элемента: M – металл (чаще всего это элементы переходных металлов), A – металл/неметалл (как правило, это элементы 13-й или 14-й группы таблицы Менделеева) и X – азот или углерод. Образующиеся нитриды или карбиды обладают гексагональной слоистой структурой, за счет чего приобретают довольно необычное сочетание физических свойств. Эти вещества одновременно проявляют свойства и металлов, и керамики, в частности у них высокая электро- и теплопроводность, они устойчивы к резким перепадам температуры и значительным механическим нагрузкам.

За последние годы для получения таких материалов разработали довольно большое количество методов, самые популярные из которых – это химическое или физическое осаждение из газовой фазы, плазменно-искровое спекание и горячее изостатическое прессование. При этом часто материалы удается синтезировать в виде небольших образцов, поэтому отдельная технологическая задача – получить объемный материал на основе MAX-фазы. Для этого ученые применяют различные варианты спекания порошковых материалов, но все существующие на данный момент методики либо слишком сложны технологически и поэтому дороги, либо требуют нескольких длительных дополнительных стадий для увеличения плотности изначально пористых материалов, либо не позволяют добиться достаточной доли МАХ-фазы в конечном материале.

В новой работе российские ученые предложили новый метод одностадийного синтеза MAX-фазы состава Ti₃AlC₂ – перспективного материала для использования в качестве высокотемпературных нагревательных элементов. Для его получения ученые использовали комбинацию уже известных методов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и сдвиговой деформации при давлении. При этом авторы сравнили два способа прессования: экструзионное, во время которого спрессованный порошок выдавливался в специальную форму, образуя стержнеобразные элементы, и одноосное сжатие, при котором спрессованный порошок просто сдавливался при нагревании, превращаясь в пластинки. Температура во время прессования составляла около 1700 °С, а весь процесс продолжался примерно 20-25 секунд.

В результате материаловеды получили два типа образцов с достаточно близкими характеристиками. И в пластинках, и в стержнях плотность превышала 95% относительно порошкового материала, а содержание Ti₃AlC₂ составляло от 67 до 82%. При этом по механическим и физическим параметрам немного выиграли образцы, полученные с помощью экструзионного прессования: прочность на сжатие у них составила 720 мегапаскалей (против 641 мегапаскаля у образцов, полученных в результате сжатия), модуль Юнга – 221 гигапаскаль (против 198), а теплопроводность – 22,9 ватт на метр при нагреве на один градус (против 22,1).

По словам авторов работы, основное преимущество предложенной методики – возможность быстро получить достаточно объемный материал всего в одну стадию, которая не требует высоких температур и длительного многочасового спекания. При этом доля MAX-фазы в конечном веществе достаточно высока, поэтому в дальнейшем эти материалы можно будет использовать приборах, работающих при высоких температурах (в районе 1500 °С), например в качестве нагревательного элемента или покрытия для электрических контактов.