Ученые ТГУ предложили новый способ получения композитной «скользкой» керамики AlMgB14 (алюминий-магний-бор). Твердость полученных композитов на 40 процентов 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 уменьшится трение деталей, а потребление энергии снизится в несколько раз. Новый материал может применяться во многих отраслях. В том числе, в машино- и авиастроении.

Инициатором проекта по разработке отечественного аналога «скользкой» керамики является заведующий лабораторией нанотехнологий металлургии ТГУ Илья Жуков. Проект уже второй раз поддержан грантом РНФ 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 процентов соединения AlMgB14 и 3 процента примесей. На их основе ученые разработали композитный материал – в «чистый» AlMgB14 добавили диборид титана – и твердость увеличилась на 40 процентов.

Образцы «скользкой» керамики 1
Образцы «скользкой» керамики 1

«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 два 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.

Образцы «скользкой» керамики 2
Образцы «скользкой» керамики 2

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 так далее. Также ученые проанализируют теплопроводность, электропроводность и механическое поведение материала.

Соисполнителями гранта РНФ являются Нижегородский физико-технический институт и представители Санкт-Петербургского государственного технологического института. В 2020 году ТГУ стал первым вузом в России по металлургии по мнению аналитического центра «Эксперт», а также занял лидирующую позицию (третье место) в Шанхайском глобальном рейтинге (Shanghai Ranking’s Global Ranking of Academic Subjects 2020) по предметным областям.