В ИФПМ СО РАН научились управлять трещиностойкостью высокотемпературных слоисто-градиентных керамических композитов

Ученые Института физики прочности и материаловедения СО РАН получили уникальные слоисто-градиентные керамические композиты на основе оксида алюминия и карбида циркония – материалов с разными коэффициентами теплового расширения. Такая необычная керамика способна выдерживать температуру до трех и более тысяч градусов и может быть использована в качестве термоизоляционного или теплозащитного материала для высокоэнергетических агрегатов. Полученные результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале Materials Characterization .

– Главной особенностью таких керамических композитов является их градиентная структура, которая обеспечивает плавное изменение свойств от одного слоя к другому. Материалы в этом случае наносятся послойно методом горячего прессования в вакууме: от чистого оксида алюминия постепенно переходя к чистому карбиду циркония, а между этими слоями располагаются промежуточные слои, состоящие из смеси обоих материалов в различных пропорциях, – отметил кандидат физико-математических наук Алесь Буяков, научный сотрудник лаборатории физической мезомеханики и неразрушающих методов контроля ИФПМ СО РАН.

Как пояснил Алесь Сергеевич, из-за разницы коэффициентов теплового расширения оксида алюминия и карбида циркония процессы образования трещин в них протекают по-разному и с разной скоростью. Если карбид циркония, подобно капкану, формирует сжимающие напряжения, которые тормозят распространение трещин, то оксид алюминия, напротив, испытывает растягивающие напряжения, способные ускорить рост трещин. При этом оказывается реально «в одну телегу впрячь коня и трепетную лань», для этого лишь нужно найти баланс.

Такую структуру легко представить в виде палитры, на которой видны постепенные переходы от одного цвета к другому, игра полутонов: постепенно изменяя состав материала от одного слоя к другому, мы уменьшаем концентрацию напряжений на границе раздела материалов, тем самым снижая риски расслоения, образования трещин и дефектов. В результате серии экспериментов исследователи выявили, что максимальную трещиностойкость керамических композитов обеспечивают пять или шесть слоев.

Кроме того, как показали исследования, повреждения в слоисто-градиентных керамических композитах можно «залечивать»:

– За счет управления фазовым составом и компонентной структурой керамических материалов создаются условия, при которых различные трещины, микросколы и другие повреждения внешней поверхности, возникающие при работе в высокотемпературной воздушной среде, «залечиваются». Это происходит благодаря контролируемому взаимодействию материала с окружающими газами, в результате чего образуются новые фазы: оксидные, силикатные, боросиликатные, а также армированные структуры. Поверхностные дефекты заполняются ими и восстанавливаются, тем самым позволяя вернуть до 80% первоначальной прочности материала, – пояснил молодой ученый.

На основе высокотемпературные слоисто-градиентных керамических композитов могут создаваться изделия с уникальными свойствами – регулируемой электропроводностью и теплопроводностью, химической стойкостью к агрессивным средам, что делает их востребованными в электронике, энергетике, аэрокосмической отрасли.

Исследования выполняются в рамках реализации программы развития научного центра мирового уровня «Новые материалы специального назначения», в консорциум организаций-участников которого входят ИФПМ СО РАН, Томский НИМЦ РАН и Севастопольский государственный университет, а координирует Томский госуниверситет.

© Пресс-служба ТНЦ СО РАН