Китайские ученые создали керамику для гиперзвуковых самолетов выдерживающую нагрев до 1800 градусов
Китайские ученые из Харбинского университета науки и технологий разработали инновационный метод создания сверхпрочной керамики, способной выдерживать экстремальные температуры до 1800 градусов Цельсия, что открывает новые горизонты для строительства гиперзвуковых самолетов и ядерных реакторов следующего поколения. Основой для новых ультравысокотемпературных материалов (УВТМ) стал карбид циркония (ZrC), известный своей исключительной тугоплавкостью и стабильностью в твердом состоянии. Однако до сих пор его широкое применение сдерживалось плохой спекаемостью и присущей хрупкостью, что ставило под сомнение долгосрочную структурную надежность изделий из него. Для решения этой проблемы исследователи Боксин Вэй и Юцзинь Ван применили оригинальный двухэтапный процесс искрового плазменного спекания (SPS) с использованием карбида циркония (ZrC), дисилицида титана (TiSi2) и карбида бора (B4C) в качестве исходных материалов.
Суть метода заключается в тщательно контролируемой последовательности реакций. На первом этапе при температуре 1600 градусов Цельсия происходит преимущественное взаимодействие TiSi2 с B4C, в результате чего образуются диборид титана (TiB2) и карбид кремния (SiC). После трехминутной выдержки температуру повышают до 1800 градусов, чтобы разделить процессы, управляемые реакцией и диффузией. Высвободившийся на первом этапе кремний затем вступает в реакцию с матрицей из ZrC, формируя дисилицид циркония (ZrSi2) и дополнительные зерна SiC. Процессы жидкофазного спекания и взаимной диффузии циркония и титана приводят к образованию твердых растворов (Zr,Ti)C и (Ti,Zr)B2. В итоге формируется многофазная керамика со сложной иерархической микроструктурой, включающей твердые растворы на атомном уровне, наноразмерные частицы SiC, которые блокируют рост зерен на границах, и микроразмерные агломераты TiB2-SiC, отвечающие за повышение трещиностойкости.
Использование добавок в количестве 30 моль% TiSi2 и 15 моль% B4C позволило получить структуру с размером зерна менее 500 нанометров. Полученный материал, обозначенный как ZTS-30B, продемонстрировал выдающиеся механические свойства: прочность на изгиб достигла 824 ± 46 МПа, а вязкость разрушения — 7,5 ± 0,5 МПа·м¹/², что значительно превосходит показатели ранее известных керамик на основе карбида циркония. Дальнейший анализ с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения показал, что особая ориентация вторичного карбида кремния в матрице твердого раствора уменьшает несоответствие кристаллических решеток и улучшает передачу напряжений. Как подчеркнул профессор Вэй, эта работа демонстрирует, что тщательный контроль последовательности реакций и температурного режима способен принципиально изменить взаимосвязь между микроструктурой и свойствами карбидной керамики.
Результаты исследования были в Journal of Advanced Ceramics.