Ученые ТПУ и Сколтеха предложили эффективный метод синтеза сверхтвердого борида вольфрама

| 705

Ученые Томского политехнического университета и Сколтеха предложили эффективный и экономичный метод синтеза сверхтвердого материала — пентаборида вольфрама. Он может применяться в различных отраслях промышленности, в том числе в технологиях бурения. Результаты исследования опубликованы в журнале Inorganic Chemistry (IF:5.165; Q1).

Бориды вольфрама — соединения, которые значительно превосходят по твердости, термостойкости, низкой теплопроводности и другим механическим свойствам другие материалы, не имевшие аналогов по этим характеристикам на протяжении почти ста лет. Известные сегодня методы синтеза борида вольфрама требуют использования вакуума или инертной атмосферы и высокого давления. Это ведет к увеличению производственных затрат и ограничивает возможности по масштабированию метода и организации производства.  

«Высший борид вольфрама WB5−x обладает чрезвычайно высокой износостойкостью, и мы пытались найти эффективный метод, позволяющий синтезировать этот материал в больших объемах. Мы не только потратили на эту работу много времени и сил, но и столкнулись с немалыми трудностями при определении отдельных фаз вещества в синтезированных образцах. Большой подмогой для нас стали вычислительные методы, используя которые, мы смогли досконально исследовать условия синтеза и структуру полученного материала. В результате нам удалось получить двухфазный образец, содержащий соединения WB2 и WB5−x», — комментирует один из авторов статьи, старший преподаватель проектного центра по энергопереходу и ESG Сколтеха Александр Квашнин.

Кристаллические фазы боридов вольфрама были синтезированы учеными Томского политеха. Для этого они применяли безвакуумный электродуговой метод на плазменном реакторе, разработанном в ТПУ.  

«Главные особенности этого метода — простота конструкции и используемой методики, отсутствие необходимости использования высокотехнологичных дорогостоящих узлов и деталей. По нашим оценкам, эта методика позволяет экономить до 90 % электрической энергии при работе в сравнении с прямыми аналогами, по крайней мере на уровне лабораторных объемов синтеза», 

— отмечает один из авторов исследования, научный сотрудник Научно-исследовательского центра «Экоэнергетика 4.0» ТПУ Александр Пак.

Исследование проводилось с использованием специально разработанной экспериментальной системы, основу которой составляют графитовый анод (стержень) и графитовый катод в форме тигля. Исходную смесь вольфрама и бора уплотняли и помещали на дно катода. Между анодом и катодом поджигали электродуговой разряд в открытой воздушной среде. При этом кислород воздуха окислял углерод, образуя автономную газовую среду в полости тигля; температура за счет горения дуги поднималась, и происходил синтез различных фаз боридов вольфрама — в зависимости от соотношения исходных компонентов и режимов плазменной обработки. Отсутствие необходимости в использовании вакуумного оборудования — главное преимущество разработанного метода, который в перспективе можно будет внедрять на крупносерийном производстве.

Кроме того, ученые дополнительно доработали метод, что была возможность производить тонкую настройку параметров эксперимента для контроля состава материала. Это позволило добиться увеличения содержания борида вольфрама в образце до 61,5 % по объему.   

В перспективе разработанный безвакуумный метод позволит создать недорогую и контролируемую технологию синтеза сверхтвердого борида вольфрама WB5−x с высокими механическими свойствами и в больших объемах, который можно будет широко применять в промышленности.  

Еще одно потенциальное применение синтезированного борида вольфрама, по мнению ученых, — для отбора углекислого газа из промышленных выбросов и производства «голубого» водорода. Основное преимущества борида вольфрама WB5−x как катализатора  — возможность его повторного использования в экспериментальной системе.