Ученые ТГУ предложили новый способ получения композитной «скользкой» керамики AlMgB14 (алюминий-магний-бор). Твердость полученных композитов на 40% выше, чем в образцах без добавок, а коэффициент трения практически в два раза ниже, чем у смазанной полированной стали. Холодильники, кондиционеры и другое оборудование с комплектующими из «скользкой» керамики будут меньше шуметь и прослужат дольше, поскольку снизится трение деталей.

Инициатором проекта по разработке отечественного аналога «скользкой» керамики является зав. лаб. нанотехнологий металлургии ТГУ Илья Жуков. Проект уже второй раз поддержан грантом РНФ (№19-79-10042) в рамках Президентской программы исследовательских проектов.

На первом этапе команда ученых 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 ученые разработали композитный материал — в «чистый» AlMgB14 добавили диборид титана — и твердость увеличилась на 40%.

Образцы полученных композитов

Образцы полученных композитов

— 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. — Благодаря новому методу значительно возросла твердость материала — 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 — ученые 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.

До этого в России никто не синтезировал AlMgB14. 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.

Результаты работы ученых опубликованы в международных журналах Materials today communication (статья про использование нестандартных порошков, которые ученые 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 ученые проанализируют теплопроводность, электропроводность и механическое поведение материала.

Соисполнителями гранта РНФ являются Нижегородский физико-технический институт и представители Санкт-Петербургского государственного технологического института

Напомним, что в 2020 году ТГУ стал первым вузом в России по металлургии по мнению аналитического центра «Эксперт», а также занял лидирующую позицию (3 место) в Шанхайском глобальном рейтинге (Shanghai Ranking’s Global Ranking of Academic Subjects 2020) по предметным областям.