Молодые ученые ИФПМ СО РАН создали высокопрочную керамику с двойной структурой для защиты скважинного и бурового оборудования

В числе победителей конкурса для молодых ученых, организованного Благотворительным фондом «Система» и Российской академией наук при поддержке Роспатента – сотрудники лаборатории физической мезомеханики и неразрушающих методов контроля Института физики прочности и материаловедения СО РАН Алесь Буяков и Василий Шмаков. Их проект «Технологический подход к обеспечению высокой трещиностойкости и стойкости к абразивному изнашиванию керамических композитов для применения в качестве защитных корпусных элементов скважинного геофизического и бурового оборудования» занял первое место в номинации «Химические технологии, инновационные материалы и процессы».

– Керамика обладает такими преимуществами, как прочность, износостойкость, устойчивость к высоким температурам. Однако ее недостатками являются хрупкость и низкая трещиностойкость, что сильно ограничивает применение таких материалов в условиях динамических, циклических и ударных нагрузок. Нам пришла идея решить эту проблему не с помощью введения в керамику каких-то упрочняющих компонентов, а путем реорганизации структуры материала сразу на нескольких уровнях, что позволило значительно улучшить его характеристики, – рассказал кандидат физико-математических наук Алесь Буяков.

Молодые исследователи предложили метод формирования двойной композиционной структуры (ее еще называют «композит в композите»), которая включает в себя матрицу на основе диборида циркония и карбида кремния, а также включения в виде отдельных гранул на основе диборида тантала и карбида кремния. При этом соотношения компонентов матрицы и включений может варьироваться в соотношении 80/20, 70/30 и 60/40 в зависимости от тех свойств, которыми должен обладать материал.

– Когда мы имеем дело с керамикой с традиционной структурой, разрушение происходит при образовании и развитии единой магистральной трещины. В случае, когда речь идет о керамике со структурой «композит в композите», сжимающие напряжения в матрице будут выступать эффективными преградами на пути распространения трещины, способствуя ее разветвлению и торможению. В результате постоянного деления ей просто-напросто будет недостаточно энергии для того, чтобы дальше развиваться, процесс остановится, – пояснил Василий Шмаков, совсем недавно защитивший кандидатскую диссертацию.

Ученые смогли более чем в три раза увеличить трещиностойкость материала, а также значительно улучшить стойкость к изнашиванию без ухудшения его механических свойств. Проект реализуется в тесной кооперации с промпартнером ИФПМ СО РАН – Научно-производственным предприятием геофизической аппаратуры «ЛУЧ» (г. Новосибирск).

Керамика с двойной композиционной структурой применяется при создании защитных элементов корпусов оборудования, работающего в скважинах. Помимо высокой трещиностойкости и износостойкости, химической инертности, твердости и прочности, такие материалы не создают магнитные поля, вызывающие помехи в работе навигационных систем геофизической аппаратуры.

© Пресс-служба ТНЦ СО РАН