Синтез высокоэнтропийных карбидов в плазме дугового разряда постоянного тока безвакуумным методом

Высокоэнтропийные материалы активно исследуются примерно последние 10-15 лет. За короткое время этот тип материалов привлек внимание множества исследователей по всему миру ввиду новых возможностей в области получения материалов с уникальным комплексом свойств. Наиболее изученными являются высокоэнтропийные сплавы, представляющие собой многокомпонентные околоэквимолярные композиции, образующие твердые растворы замещения. Высокое значение конфигурационной энтропии смещения обеспечивает формирование неупорядоченного твердого раствора с существенными искажениями кристаллической решетки, что связано с замедлением диффузионных процессов и фазовых превращений. Это приводит к выгодным изменениям физико-химических и физико-механических свойств высокоэнтропийных материалов. Относительно недавно (несколько лет назад) был открыт новый подкласс таких материалов, так называемых высокоэнтропийных карбидов. Появление высокоэнтропийных карбидов, в состав которых входят металлы, образующие ультратугоплавкие сверхтвердые карбиды, позволяет ожидать новых результатов в области создания материалов с близкими к рекордным сочетаниям теплофизических и механических характеристик. По состоянию на 2021 год доказана возможность существования ряда высокоэнтропийных карбидов на основе карбидов металлов четвертой, пятой и шестой групп, а именно, на основе титана, ванадия, циркония, ниобия, гафния, тантала, и реже - хрома, молибдена, вольфрама. Подобные материалы способны формировать однофазный твердый раствор с кубической структурой типа NaCl, содержащий в составе одновременно атомы 4 или 5 обозначенных выше металлов в околоэквимолярном соотношении и углерод. На сегодняшний день наиболее изученными являются высокоэнтропийные карбиды на основе титана, циркония, ниобия, гафния и тантала. Согласно литературным данным, рассчитаны параметры нескольких десятков кристаллических структур высокоэнтропийных карбидов, каждый из которых представляет научный и практический интерес; современные методы и аппаратное обеспечение информационных технологий позволяют с относительно высокой скоростью вести высокопроизводительные вычисления для «проектирования» и предсказания новых материалов. Экспериментальная база для реализации синтеза этих материалов нуждается в развитии новых простых методов и устройств, позволяющих получать те или иные предсказанные высокоэнтропийные карбиды. Наиболее распространенными подходами к синтезу высокоэнтропийных карбидов являются спекание с использованием различных техник карбидов отдельных металлов и реакционное искровое плазменное спекание. Основная стратегия синтеза заключается в нагревании исходных материалов до необходимой температуры взаимодействия (порядка 2 тыс. град), нередко при высоких давлениях порядка 50 МПа. В настоящем проекте предлагается развитие электродугового метода, позволяющего получать эквимолярные и неэквимолярные высокоэнтропийные карбиды различного химического состава за короткое время рабочего цикла (порядка не более 1 мин), в ходе которого на исходные реагенты воздействует плазма дугового разряда постоянного тока, инициированного при нормальных атмосферных условиях. При этом в ходе горения дугового разряда реализуются условия для достижения эффекта экранирования реакционного объема от кислорода воздуха, что позволит проводить процесс синтеза в открытой воздушной среде (это существенно упрощает подход к использованию электродуговой плазмы и устройства для осуществления синтеза). Подобный подход уже ранее был продемонстрирован научной общественности на примере синтеза углеродных наноструктур в ряде опубликованных в открытой печати статей, а также рабочей группой данного проекта на примере синтеза карбидов вольфрама, молибдена и титана. Таким образом, в настоящем проекте впервые будет создана электродуговая безвакуумная методика получения высокоэнтропийных карбидов, основанная на использовании открытого ранее эффекта экранирования реакционного объема от кислорода воздуха; будут исследованы зависимости фазового состава и морфологии частиц получаемых материалов от параметров процесса синтеза; впервые в рамках рассматриваемого метода будут получены материалы, в которых доминирующими фазами будут известные и расчетные (гипотетические на сегодня) фазы высокоэнтропийных (эквимолярных и неэквимолярных) карбидов, а также будут изучены некоторые их свойства.