Ученые из Сколковского института науки и техники и Томского политехнического университета использовали метод плазмодинамического синтеза для получения двух материалов в форме нанопорошков и покрытий. Речь идет о карбиде — соединении титана, циркония, ниобия, гафния и тантала с углеродом — и карбонитриде, твердом растворе, образованном карбидами и нитридами переходных металлов. Результаты исследования опубликованы в Journal of Alloys and Compounds.

Высокоэнтропийными называют соединения, в состав которых входят не менее пяти различных элементов. К таким соединениям относятся карбид и карбонитрид, синтезированный учеными Сколтеха и Томского политеха из титана, циркония, ниобия, гафния и тантала. По мнению ученых, благодаря своим механическим свойствам и температурной стабильности карбид является одним из наиболее подходящих материалов для изготовления ультравысокотемпературных керамических элементов. Однако синтез карбида очень трудоемок. Как правило, он требует тщательной подготовки исходного сырья и осуществляется в течение длительного времени при сверхвысоких температурах (около 2200-2300 °C).

На первом этапе исследования ученые смоделировали различные структуры карбонитридов с различной концентрацией азота и углерода, а также изучили их термодинамическую стабильность при разных температурах. Авторы пришли к выводу, что большое количество азота может привести к механическим повреждениям решетчатой структуры материала, что негативно скажется на его стабильности. Затем ученые получили карбид и карбонитрид с помощью метода плазмодинаимечского синтеза, при котором высокоскоростная струя плазмы дугового разряда используется в качестве среды для реакций плазохимического синтеза.

«В работе речь идет об использовании уникальной научной установки — коаксиального магнитоплазменного ускорителя. За время импульса менее 1 миллисекунды происходит формирование высокоскоростной плазменной струи, в которой достигаются повышенные температура, давление и скорость кристаллизации, необходимые для получения уникальных наноматериалов. Совместно с коллегами из Сколтеха, на основе методов компьютерного дизайна материалов, нам удалось экспериментально совместить Ti, Zr, Nb, Hf, Ta, C и N в единую структуру», — цитирует Сколтех кандидата технических наук Дмитрия Никитина.

Исследование показало, что метод плазмодинамического синтеза не требует специальной подготовки сырья и отличается универсальностью, обеспечивая синтез самых разных классов материалов: карбидов, нитридов, оксидов, углеродных наноструктур и композитов на их основе. С помощью этого метода можно не только получать высокоэнтропийный карбид, но и дозированно вводить азот в его кристаллическую решетку, синтезируя структуры, близкие к карбонитриду.