Коллектив инженеров и ученых из ведущих российских научных организаций, включая НИТУ МИСИС, внес весомый вклад в мировую науку материаловедения. В результате уникального эксперимента, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), впервые был детально выяснен механизм формирования прочных соединений между медными сплавами и инновационным металл-керамическим материалом — так называемыми макс-фазами. Эти открытия открывают новые горизонты для создания долгоживущих композитов, востребованных в ключевых отраслях экономики.
Свойства макс-фаз: сплав прочности, износостойкости и теплопроводности
Макс-фазы представляют собой уникальное семейство материалов, в которых высочайшая прочность и коррозионная стойкость керамики удачно сочетаются с теплопроводностью и электропроводностью, присущими металлам. Они состоят в основном из элементов титана, алюминия, азота, и других легких металлов. Подобные материалы находят потенциальное применение в машиностроении, электропромышленности, авиастроении, а также в энергетике, где важно обеспечить эксплуатационную надежность конструкций в условиях сильного нагрева и больших нагрузок.
Несмотря на выдающийся набор свойств, внедрение макс-фаз в массовое производство сдерживалось отсутствием технологически совершенных методов соединения этих материалов с широко используемыми металлическими сплавами. Не до конца было понятно, как именно ведут себя эти необычные материалы при контакте с расплавленными металлами, что препятствовало созданию прочных и стойких композитных слоев.
Новый взгляд на процесс взаимодействия макс-фаз с расплавами меди
В новом исследовании внимание было уделено взаимодействию макс-фаз на основе титана, алюминия и азота с медными расплавами. Для анализа ученые применили метод сбрасывания капель расплава при высоких температурах, в специально созданной вакуумной среде. Это позволило им проследить за процессами на молекулярном уровне с помощью высокоскоростной видеосъемки и точных тепловизионных измерений.
В ходе эксперимента ученые обнаружили, что при попадании расплавленной меди на поверхность макс-фазы происходит локальное разложение структуры материала. Макс-фаза разделяется на микрокристаллы нитрида титана и атомы алюминия, которые растворяются в медном сплаве. Этот процесс сопровождается образованием микрополостей, в которые быстро проникает медь. Благодаря такому капиллярному действию макс-фаза впитывает значительное количество расплава, что приводит к формированию нового композитного материала, обладающего сочетанием качеств обоих компонентов.
Контролируемое создание композитов с улучшенными характеристиками
Одним из выдающихся результатов исследования стало установление точной зависимости скорости и глубины проникновения меди от температуры и времени воздействия. Оказалось, что регулировка основных параметров позволяет «настраивать» процесс, добиваясь необходимых свойств конечного материала. Чем выше температура и дольше продолжительность эксперимента, тем больше меди интегрируется в структуру макс-фазы.
Формирующиеся при этом композиты показывают твердость, значительно превышающую аналогичный показатель обычной меди. Поверхность зерен исходной макс-фазы, спаянная под воздействием расплава, демонстрирует повышенную износостойкость и устойчивость к механическим деформациям. В то же время композиты продолжают обладать высокой электропроводностью и антикоррозионными параметрами, что делает их идеальными для применения в ходовых узлах механизмов и ответственных электротехнических соединениях.
Шаг к новым технологиям и перспективам промышленного применения
Детальное понимание механизма взаимодействия макс-фаз с медными расплавами открывает путь к созданию прочных промежуточных слоев для пайки и сварки самых разных материалов, отличных по своей природе. Эти слои могут служить буфером между металлом и керамикой, распределяя напряжения и предотвращая разрушение при термических и механических воздействиях.
В будущем такие технологии позволят изготавливать элементы для авиационных двигателей, электрических контактов и теплоотводов с повышенным сроком службы. Полученные знания также дадут старт новой эпохе в синтезе композитов, что, несомненно, повлияет на дальнейшее развитие материаловедения, в том числе и в смежных областях науки и техники.
Научная коллаборация и вклад Российского научного фонда
Работа ученых НИТУ МИСИС и их коллег из Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН велась в тесном сотрудничестве с поддержкой Российского научного фонда. Благодаря междисциплинарному подходу и современным аналитическим методам удалось раскрыть фундаментальные тонкости процессов, протекающих на границе металл-керамики и расплавленного металла.
Полученные результаты, признанные научным сообществом, создают прочную базу для запуска опытного производства новых композитных материалов и их внедрения в ключевые сектора экономики. Таким образом, российские ученые предлагают миру мощный научно-технический инструмент для формирования поколений сверхнадежных конструкционных материалов на базе макс-фаз и медных сплавов.
Оптимистичный взгляд в будущее разработки композитов
Результаты исследования свидетельствуют о большом потенциале макс-фаз в составе композитных материалов нового поколения. Открытые механизмы образования прочных соединений с медью дают зеленый свет внедрению этих разработок в высокотехнологичную промышленность. Российская наука продолжает уверенно прокладывать путь к инновациям, создавая прочный фундамент для роста отечественного материаловедения и промышленности.
Источник: indicator.ru
