Исследователи Томского политехнического университета создали принципиально новые материалы для потенциального применения в авиакосмической и транспортной отраслях. Они изготовлены из прекерамической бумаги и представляют собой многослойные ламинированные композиты. Предложенный подход позволил специалистам Инженерной школы ядерных технологий ТПУ получить более прочные по сравнению с аналогами функциональные материалы.
В перспективе их можно будет использовать в элементах конструкций, которые подвергаются воздействию высоких температур и механических нагрузок. Результаты исследования опубликованы в Journal of the European Ceramic Society (IF:5,30; Q1).
Прекерамическая бумага — сравнительно новый материал, который состоит из целлюлозных волокон, порошкового наполнителя и связывающих веществ. Материал пластичный: такую бумагу можно гофрировать, укладывать и создавать многослойные структуры, как с обычной бумагой. Это позволяет создавать градиентные по составу заготовки и формовать керамические изделия до момента спекания. Спектр возможного применения прекерамической бумаги широкий: от изготовления теплообменников, фильтров и катализаторов до конструкционных элементов авиационной техники.
Для создания керамических композитов с улучшенными характеристиками ученые применили уникальное свойство прекерамической бумаги — возможность менять состав материалов, изготавливаемых на ее основе. А в конечном итоге — управлять как свойствами отдельных слоев, так и обеспечивать комбинированные свойства композита в целом. Исследование проводится в рамках гранта Российского научного фонда (19-19-00192).
Специалисты ТПУ использовали в качестве сырья прекерамическую бумагу с порошковым наполнителем на основе MAX-фаз. МАХ-фазы представляют собой новый класс термодинамически стабильных слоистых материалов, которые сочетают в себе преимущества керамики и металлов. Они устойчивы к механическому воздействию и высоким температурам, имеют хорошую электро- и теплопроводность, а также коррозионную стойкость. В своем исследовании ученые использовали MAX-фазу с разным соотношением кремния и алюминия в составе. Они комбинировали прекерамические листы, укладывая их послойно, для получения различной архитектуры ламинированных композитов. После чего «запекли» эти слои методом искрового плазменного спекания.
«Полученные ламинированные керамические композиты продемонстрировали улучшенные физико-механические характеристики. Они определяются микроструктурой и составом отдельных слоев, а также архитектурой композитов. Было показано, что предложенный подход с использованием прекерамической бумаги различного состава может быть применен для разработки высокопрочных коррозионностойких материалов на основе MAX-фаз.
В отличие от традиционной керамики, такие композиты можно легко обрабатывать механически. Кроме того, прекерамическая бумага — полностью перерабатываемый материал, остатки которого можно использовать для повторного ее изготовления», — рассказывает один из авторов статьи, заведующий лабораторией перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем Инженерной школы ядерных технологий ТПУ Егор Кашкаров.
Ученые продолжают изучать возможности применения прекерамической бумаги. В настоящий момент они проводят лабораторные исследования по получению из нее поддерживающих элементов фильтров для разделения и очистки водорода.