Установку для получения сверхтвердых материалов «на открытом воздухе» разработали ученые ТПУ

| 2355

Коллектив молодых ученых Инженерной школы информационных технологий и робототехники Томского политехнического университета разработал установку для получения сверхтвердых материалов  на основе карбидов титана. Это безвакуумный метод, и в этом его основное преимущество по сравнению с аналогами. Потому что в таком случае процесс получения карбидов не требует специальных условий инертной газовой среды, а значит и дорогостоящего оборудования, — он протекает на открытом воздухе. Таким способом политехники уже получили помимо карбида титана также и образцы карбида кремния и карбида бора. Эти тугоплавкие и сверхтвердые материалы используются для создания компонентов силовой электроники, изделий ядерной промышленности, керамических бронепластин и других изделий. Способу получения карбида титана посвящена последняя статья, опубликованная в журнале Technical Physics Letters.   

Фото: дизайн-проект установки

«Такие материалы получают различными методами, один из них — электродуговой. Он основан на действии электродугового разряда, который создает нужные условия для синтеза материала. В промышленность этот метод пока не внедрен, так как считается относительно дорогостоящим. Однако наши решения в перспективе могут приблизить внедрение», — говорит руководитель проекта, доцент отделения автоматизации и робототехники ТПУ Александр Пак.

По его словам, большинство научных коллективов, получающих карбиды электродуговым методом на постоянном токе, организуют этот процесс в вакууме, в защитных инертных атмосферах, например, из аргона, водорода или гелия.

«Это влечет за собой необходимость ряда технических средств и, соответственно, затрат. И, как показывает анализ мировых публикаций, лишь около 6 % статей в мире описывают успешный синтез неоксидных материалов “на открытом воздухе”, предлагая свои подходы. Наша группа входит в этот небольшой процент, кроме того, описания синтеза в атмосферной плазме дугового разряда постоянного тока именно карбидов кремния, бора и титана нам в литературе не встречались», — отмечает исследователь.

Установка, разработанная в Томском политехе, может быть размещена на обычном письменном столе, по площади она занимает менее одного квадратного метра. Она состоит из простых элементов: силового источника питания, источника постоянного тока, электродов и системы управления. А сам процесс синтеза карбидов занимает буквально несколько секунд.

«Проблема защитной атмосферы возникает потому, что если воздействовать разрядом на какой-то материал на открытом воздухе, то он просто сгорит, то есть окислится, и мы получим оксид. Но несколько лет назад ученые установили, что при определенных условиях сам электродуговой разряд может генерировать защитную газо-плазменную область, экранирующую продукты синтеза от кислорода воздуха. Этим эффектом мы и воспользовались, развивая группу электродуговых методов», — говорит ученый.  

Между электродами, на которые подается напряжение, образуется разрядный промежуток, инициируется дуговой разряд, и, соответственно, плазма. Процесс сопровождается выделением энергии дугового разряда и повышением температуры. Исходная смесь — порошки углерода и, например, титана — нагревается до нескольких тысяч градусов, структура вещества меняется, и происходит синтез карбида.

«Наше новшество, позволившее существенно упростить установку, — это особая геометрия электродной системы и режимы работы разрядного контура. Один из электродов сделан из графита в форме стакана, а второй опускается в полость этого стакана. Внутри “стакана” и проходит весь процесс, защищенный от внешней среды самим разрядом от кислорода воздуха», — поясняет Александр Пак.

Еще одно важное новшество — система управления установкой. Она позволяет работать в автоматизированном режиме.

«Экспериментальное исследование, посвященное синтезу того или иного материала, требует обеспечения повторяемости экспериментов, иначе невозможно добиться стабильности параметров разряда и параметров выходного продукта. За это в нашем случае отвечает система управления. Мы уже получили два авторских свидетельства к программе для системы управления электродуговым реактором и продолжаем совершенствовать программную часть, а сама установка и способ получения карбида титана находятся в процессе патентования», — говорит руководитель проекта.

По его словам, в дальнейшем коллектив будет совершенствовать технологию для минимизации примесей в конечном продукте и повышения его выхода.

Добавим, что материально-техническое оснащение лаборатории сформировано при грантовой поддержке компании British Petroleum.

Справка:

Карбид титана — соединение углерода и металлического титана. Отличается особой прочностью, устойчивостью к высоким температурам. Его используют для нанесения износостойких покрытий, для изготовления тиглей и чехлов термопар, стойких к расплавлению металлам.