Ученые Университета МИСИС представили новые материалы, которые могут найти применение в качестве компонентов матричного ядерного топлива или тепловой защиты космических аппаратов — гафний-циркониевые карбонитриды. Главное преимущество этих материалов перед карбидами-предшественниками заключается в повышенной стойкости к высокотемпературному окислению. От этого свойства напрямую зависит срок службы изделия и верхний предел рабочих температур.
Карбиды циркония и гафния считаются перспективными кандидатами для различных высокотемпературных применений. Их температура плавления превышает 3500°С, они обладают высокой теплопроводностью, ударной вязкостью и прочностью. Однако эти соединения обладают сравнительно невысокой окислительной стойкостью при высоких температурах.
Для решения этой проблемы исследователи Университета МИСИС предложили добавлять в структуру карбидов азот. В условиях воздействия высоких температур (от 1200°C) значительно повысилась окислительная стойкость материалов, так как образовались плотные оксидные слои, которые служат барьером, предотвращающим проникновение кислорода.
«Существует мнение, что, если добавить азот, например, к карбиду, то его окислительная стойкость обязательно ухудшится за счет образования большого количества газообразных продуктов реакции. Однако в работе мы его опровергаем и показываем, что легирование азотом может значительно повысить окислительную стойкость. Дело в том, что в карбонитридах переходных металлов образуются более прочные ковалентные связи, ответственные за термическую стойкость, снижается количество стабильных центров адсорбции кислорода, из-за химической сложности соединения существенно замедляется диффузия кислорода. Благодаря всем этим факторам карбонитриды обладают более высокой окислительной стойкостью по сравнению с „конкурентами“ — карбидами», — отметила руководитель исследования, научный сотрудник НИЦ «Конструкционные керамические материалы» НИТУ МИСИС, к.т.н. Вероника Суворова.
Углубленный анализ показал, что добавление циркония (Zr) к карбонитриду гафния приводит к замедлению процесса окисления в 2 раза. Повышенная стойкость этих материалов к окислению предполагает их потенциальное применение для тепловой защиты ответственных узлов и конструкций космических аппаратов. Подробно результаты исследования описаны в журнале Ceramics International (Q1).
«Университет МИСИС — признанный лидер в области материаловедения в стране, входит в топ-100 лучших вузов мира по направлению Materials Science международного рейтинга QS. Наши ученые занимаются разработками, которые находят применение в различных отраслях промышленности. В рамках стратегического проекта „Материалы будущего“ программы „Приоритет 2030“ мы ставим перед собой амбициозную цель — радикально сократить срок создания материалов с заданными свойствами, сделать их доступными для отечественных предприятий. Новые гафний-циркониевые карбонитриды, разработанные исследователями НИЦ „Конструкционные керамические материалы“ НИТУ МИСИС, могут быть востребованы в самых высокотехнологичных и наукоемких отраслях экономики — например, в атомной энергетике, космической промышленности», — прокомментировала ректор Университета МИСИС Алевтина Черникова.
В дальнейшей работе ученые проанализируют влияние азота на радиационную стойкость гафний-циркониевых карбидов. В случае положительного результата, эти материалы станут перспективными кандидатами для использования в качестве компонентов ядерного топлива, представляя альтернативу карбиду кремния. Это исследование соответствует задачам стратегического проекта НИТУ МИСИС «Материалы будущего» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030».
