Onderzoekers van Skoltech en Tomsk Polytechnic University hebben een ongebruikelijke techniek uit de lucht- en ruimtevaartindustrie gebruikt om hafnium-tantaalcarbide te synthetiseren, een moeilijk te smelten materiaal voor het coaten van elektrische en mechanische componenten die onder extreme omstandigheden werken. Goedkoop en effectief, hun plasma dynamische methode kan hoogwaardig carbide produceren, zowel als poeders als als coatings op diverse substraten. De onderzoeksresultaten worden gerapporteerd in Advanced Functional Materials .

Overgangsmetaalcarbiden zijn industrieel belangrijke materialen met ultrahoge smelttemperaturen, indrukwekkende hardheid en slijtvastheid. Onder hen zijn de carbiden van hafnium en tantaal bestand tegen de hoogste temperaturen - bijna 4.000 graden Celsius - zonder te smelten. Interessant is dat sommige van de gemengde carbiden van deze twee metalen de belofte inhouden van een nog hoger smeltpunt, waardoor hafnium-tantaalcarbiden potentieel nuttig zijn voor hardware en elektronica die onder extreme omstandigheden werken. Daarnaast zouden ze toepasbaar kunnen blijken als katalysatoren voor de productie van waterstof uit water.

De conventionele benaderingen voor de synthese van materialen met hoge smeltpunten, waaronder overgangsmetaalcarbiden, zijn gebaseerd op eigenaardige sintermethoden, isostatisch persen en andere technieken die een hoog vacuüm of extreme drukken vereisen. Dergelijke omstandigheden zijn technologisch uitdagend en bovendien moeten de uitgangsmaterialen worden vermalen tot zeer fijne poeders, dus die methoden zijn duur en arbeidsintensief. Nu hebben Skoltech- en TPU-natuurkundigen en hun collega van de Pirogov University een effectieve en zuinigere techniek gebruikt die plasma-dynamische synthese wordt genoemd om hoogwaardige verbindingen van hafnium, tantaal en koolstof te verkrijgen, zowel in de vorm van poeders als als coatings die kunnen worden afgezet op diverse substraten.

De techniek omvat versnelde gepulseerde plasmastromen en gaat terug naar de ruimtevaarttechnologie vanaf het midden van de jaren zestig. Het werd oorspronkelijk ontwikkeld met het oog op het benutten van de gegenereerde hypersonische stromen in plasmakanonnen en ruimtemotoren. Uiteindelijk werden verschillende ontwerpen van plasmaversnellers voorgesteld en tegen de eeuwwisseling werd het toepassingsgebied van hun toepassingen uitgebreid met de synthese van verschillende functionele materialen.

De recente studie in Advanced Functional Materials meldt de aanpassing van een dergelijke technologie - dynamische plasmasynthese - aan de productie van hafnium-tantaalcarbide.

"We gebruiken een unieke experimentele opstelling die is ontwikkeld bij TPU, de coaxiale magnetische plasmaversneller genaamd. Eerst plaatsen we de bronmaterialen - koolstofpoeder en de oxiden van hafnium en tantaal - in de versneller en pompen veel energie in opslagcondensatoren. Zodra de condensatoren worden ontladen, dit geeft aanleiding tot een elektrische boog die de bronmaterialen onmiddellijk verandert in een plasmastroom die de reactorwand raakt met 5 kilometer per seconde. Dan schrobben we het eindproduct eraf en daar is het, "studie co-auteur Associate Professor Dmitry Nikitin van TPU vertelde.

De hoofdauteur van de studie, assistent-professor Alexander Kvashnin van Skoltech, merkte op:"We hebben moderne computermethoden gebruikt om nauwkeurige voorspellingen te doen van nieuwe verbindingen met gewenste eigenschappen, en deze methoden gecombineerd met experimentele technieken die ongebruikelijk zijn voor dit type verbindingen, komen tot een goedkope en selectieve synthese van die nieuwe verbindingen en functionele materialen op basis daarvan."

Het team voorspelde 10 fasen van hafnium-tantaalcarbide die verschillen in de relatieve verhouding van de twee metalen in het resulterende materiaal en synthetiseerde ze allemaal met behulp van de unieke experimentele opstelling. "Dit toont aan dat, in tegenstelling tot de andere methoden, onze productsamenstelling met hoge selectiviteit en precisie kan worden gecontroleerd," zei Kvashnin.

Behalve dat het minder veeleisend is voor bronmaterialen en reactoromstandigheden, doet de plasma-dynamische synthesemethode van het team ook dienst als een techniek voor het afzetten van hafnium-tantaalcarbide-coatings op willekeurige oppervlakken. "Sommige van de 10 verbindingen die in deze studie werden voorspeld, werden niet alleen als poeder gesynthetiseerd, maar ook als coating op een stuk koper afgezet," voegde Kvashnin eraan toe.

Volgens de onderzoekers zouden dergelijke harde legeringscoatings kunnen worden gebruikt voor thermische en elektrische isolatie, evenals voor bescherming tegen mechanische schade. "Stel dat dat stuk koper een kabel was, door het te coaten met hafnium-tantaalcarbide, maakten we die kabel ongeveer 10 keer harder, en elektrisch geïsoleerd en hitte-afgeschermd op de koop toe", vervolgde de onderzoeker. "Andere componenten die onder zware omstandigheden werken, kunnen ook baat hebben bij dergelijke coatings. Je kunt de kogels bijvoorbeeld in een kogellager coaten om de slijtvastheid aanzienlijk te vergroten."

Alexander Pak, hoofd van het strategische project Energy of the Future van TPU onder het Priority 2030-programma, gaf commentaar op de resultaten van het onderzoek:"Wat dit onderzoek ook belangrijk maakt, is dat de voorspelde en gesynthetiseerde nanopoeders van metaalcarbide mogelijk toepassingen vinden in katalytische systemen voor waterstofproductie door watersplitsing. Dit dient om aan te tonen dat de samenwerking tussen TPU's Ecoenergy 4.0 Research Center en Skoltech's Project Center for Energy Transition en ESG kan resulteren in indrukwekkende nieuwe materialen voor de energie-industrie." + Verder verkennen

Superharde materiaalsynthese goedkoper gemaakt