Investigadores de Skoltech y la Universidad Politécnica de Tomsk han utilizado una técnica inusual de la industria aeroespacial para sintetizar carburo de hafnio-tantalio, un material difícil de fundir para recubrir componentes eléctricos y mecánicos que funcionan en condiciones extremas. Económico y efectivo, su método de dinámica de plasma puede producir carburo de alta calidad tanto en forma de polvo como de recubrimiento en diversos sustratos. Los resultados de la investigación se informan en Advanced Functional Materials .

Los carburos de metales de transición son materiales de importancia industrial con temperaturas de fusión ultra altas, dureza impresionante y resistencia al desgaste. Entre ellos, los carburos de hafnio y tantalio pueden soportar las temperaturas más altas, cercanas a los 4.000 grados centígrados, sin derretirse. Curiosamente, algunos de los carburos mixtos de estos dos metales prometen un punto de fusión aún más alto, lo que hace que los carburos de hafnio-tantalio sean potencialmente útiles para el hardware y la electrónica que funcionan en condiciones extremas. Más allá de eso, podrían resultar aplicables como catalizadores para producir hidrógeno a partir del agua.

Los enfoques convencionales para la síntesis de materiales con puntos de fusión altos, entre ellos los carburos de metales de transición, se basan en métodos peculiares de sinterización, prensado isostático y otras técnicas que requieren alto vacío o presiones extremas. Tales condiciones son tecnológicamente desafiantes y, además, los materiales de origen deben molerse en polvos muy finos, por lo que esos métodos son costosos y requieren muchos recursos. Ahora, los físicos de Skoltech y TPU y su colega de la Universidad de Pirogov han utilizado una técnica eficaz y más económica llamada síntesis dinámica de plasma para obtener compuestos de alta calidad de hafnio, tantalio y carbono, tanto en forma de polvos como de recubrimientos que pueden depositarse sobre diversos sustratos.

La técnica implica flujos de plasma pulsados ​​acelerados y se remonta a la tecnología aeroespacial de mediados de la década de 1960. Originalmente se desarrolló con vistas a explotar los flujos hipersónicos generados en armas de plasma y motores espaciales. Eventualmente, se propusieron varios diseños de aceleradores de plasma y, a principios de siglo, el alcance de sus aplicaciones se amplió para incluir la síntesis de diversos materiales funcionales.

El reciente estudio en Advanced Functional Materials informa sobre la adaptación de una de esas tecnologías, la síntesis dinámica de plasma, a la producción de carburo de hafnio-tantalio.

"Empleamos una configuración experimental única desarrollada en TPU, llamada acelerador de plasma magnético coaxial. Primero colocamos los materiales de origen (carbono en polvo y los óxidos de hafnio y tantalio) en el acelerador y bombeamos mucha energía a los condensadores de almacenamiento. Una vez que el los condensadores se descargan, esto da lugar a un arco eléctrico que convierte instantáneamente los materiales de origen en un flujo de plasma que golpea la pared del reactor a 5 kilómetros por segundo. Luego, simplemente eliminamos el material final y ahí está ", coautor del estudio, profesor asociado Relató Dmitry Nikitin de TPU.

El autor principal del estudio, el profesor asistente Alexander Kvashnin de Skoltech, comentó:"Hemos utilizado métodos computacionales modernos para hacer predicciones precisas de nuevos compuestos con propiedades deseables, y hemos combinado esos métodos con técnicas experimentales que son inusuales para este tipo de compuestos. llegando a una síntesis económica y selectiva de esos nuevos compuestos y materiales funcionales basados ​​en ellos".

El equipo predijo 10 fases de carburo de hafnio-tantalio que difieren en la proporción relativa de los dos metales en el material resultante y las sintetizó todas utilizando la configuración experimental única. "Esto demuestra que, a diferencia de los otros métodos, el nuestro permite controlar la composición del producto con alta selectividad y precisión", dijo Kvashnin.

Además de ser menos exigente con los materiales de origen y las condiciones del reactor, el método de síntesis dinámica de plasma del equipo se duplica como una técnica para depositar recubrimientos de carburo de hafnio-tantalio en superficies arbitrarias. "Algunos de los 10 compuestos predichos en este estudio no solo se sintetizaron como polvos, sino que también se depositaron como recubrimientos en una pieza de cobre", agregó Kvashnin.

Según los investigadores, estos revestimientos de aleaciones duras podrían utilizarse para el aislamiento térmico y eléctrico, así como para la protección contra daños mecánicos. "Suponiendo que ese trozo de cobre fuera un cable, al recubrirlo con carburo de hafnio-tantalio, lo hicimos unas 10 veces más duro, y además lo aislamos eléctricamente y lo protegimos contra el calor", continuó el investigador. "Otros componentes que funcionan en condiciones adversas también podrían beneficiarse de estos recubrimientos. Por ejemplo, podría recubrir las bolas de un cojinete de bolas para aumentar considerablemente su resistencia al desgaste".

El jefe del proyecto estratégico Energy of the Future de TPU bajo el programa Priority 2030, Alexander Pak, comentó sobre los resultados del estudio:"Lo que también hace que esta investigación sea importante es que los nanopolvos de carburo metálico predichos y sintetizados podrían encontrar aplicaciones en sistemas catalíticos. para la producción de hidrógeno mediante la división del agua. Esto sirve para demostrar que la colaboración entre el Centro de Investigación Ecoenergy 4.0 de TPU y el Centro de Proyectos para la Transición Energética y ESG de Skoltech puede dar como resultado nuevos materiales impresionantes para la industria energética". + Explora más

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