Pesquisadores da Skoltech e da Universidade Politécnica de Tomsk usaram uma técnica incomum da indústria aeroespacial para sintetizar o carboneto de háfnio-tântalo, um material difícil de derreter para revestir componentes elétricos e mecânicos que operam sob condições extremas. Barato e eficaz, seu método dinâmico de plasma pode produzir metal duro de alta qualidade tanto como pós quanto como revestimentos em diversos substratos. Os resultados da pesquisa são relatados em Materiais Funcionais Avançados .
Os carbonetos de metal de transição são materiais industrialmente importantes com temperaturas de fusão ultra-altas, dureza impressionante e resistência ao desgaste. Entre eles, os carbonetos de háfnio e tântalo podem suportar as temperaturas mais altas – perto de 4.000 graus Celsius – sem derreter. Curiosamente, alguns dos carbonetos mistos desses dois metais prometem um ponto de fusão ainda mais alto, tornando os carbonetos de háfnio-tântalo potencialmente úteis para hardware e eletrônicos operando sob condições extremas. Além disso, eles podem ser aplicáveis ​​como catalisadores para a produção de hidrogênio a partir da água.

As abordagens convencionais para a síntese de materiais com altos pontos de fusão, entre eles carbonetos de metais de transição, contam com métodos peculiares de sinterização, prensagem isostática e outras técnicas que requerem alto vácuo ou pressões extremas. Tais condições são tecnologicamente desafiadoras e, além disso, os materiais de origem precisam ser moídos em pós muito finos, de modo que esses métodos são caros e consomem muitos recursos. Agora, os físicos da Skoltech e da TPU e seu colega da Universidade de Pirogov usaram uma técnica eficaz e mais econômica chamada síntese dinâmica de plasma para obter compostos de alta qualidade de háfnio, tântalo e carbono, tanto na forma de pós quanto como revestimentos que podem depositados em diversos substratos.

A técnica envolve fluxos de plasma pulsados ​​acelerados e remonta à tecnologia aeroespacial a partir de meados da década de 1960. Ele foi originalmente desenvolvido com o objetivo de explorar os fluxos hipersônicos gerados em armas de plasma e motores espaciais. Eventualmente, vários projetos de aceleradores de plasma foram propostos e, na virada do século, o escopo de suas aplicações se expandiu para incluir a síntese de vários materiais funcionais.

O estudo recente em Materiais Funcionais Avançados relata a adaptação de uma dessas tecnologias - síntese dinâmica de plasma - para a produção de carboneto de háfnio-tântalo.

"Empregamos uma configuração experimental exclusiva desenvolvida na TPU, chamada acelerador de plasma magnético coaxial. Primeiro, colocamos os materiais de origem - carbono em pó e os óxidos de háfnio e tântalo - no acelerador e bombeamos muita energia para os capacitores de armazenamento. capacitores são descarregados, isso dá origem a um arco elétrico que transforma instantaneamente os materiais de origem em um fluxo de plasma atingindo a parede do reator a 5 quilômetros por segundo. Dmitry Nikitin do TPU contou.

O principal autor do estudo, o professor assistente Alexander Kvashnin da Skoltech, comentou:"Usamos métodos computacionais modernos para fazer previsões precisas de novos compostos com propriedades desejáveis ​​e combinamos esses métodos com técnicas experimentais incomuns para esse tipo de compostos, chegando a uma síntese barata e seletiva desses novos compostos e materiais funcionais baseados neles."

A equipe previu 10 fases de carboneto de háfnio-tântalo que diferem na proporção relativa dos dois metais no material resultante e sintetizou todas elas usando a configuração experimental única. "Isso mostra que, ao contrário dos outros métodos, o nosso permite que a composição do produto seja controlada com alta seletividade e precisão", disse Kvashnin.

Além de ser menos exigente para materiais de origem e condições do reator, o método de síntese dinâmica de plasma da equipe funciona como uma técnica para depositar revestimentos de carboneto de háfnio-tântalo em superfícies arbitrárias. "Alguns dos 10 compostos previstos neste estudo não foram apenas sintetizados como pós, mas também depositados como revestimentos em um pedaço de cobre", acrescentou Kvashnin.

Segundo os pesquisadores, esses revestimentos de liga dura podem ser usados ​​para isolamento térmico e elétrico, bem como para proteção contra danos mecânicos. “Supondo que aquele pedaço de cobre fosse um cabo, revestindo-o com carboneto de háfnio-tântalo, tornamos esse cabo cerca de 10 vezes mais duro, e o isolamos eletricamente e o protegemos contra o calor”, continuou o pesquisador. "Outros componentes que operam sob condições adversas também podem se beneficiar desses revestimentos. Por exemplo, você pode revestir as esferas em um rolamento de esferas para aumentar consideravelmente sua resistência ao desgaste."

O chefe do projeto estratégico Energy of the Future da TPU no âmbito do programa Priority 2030, Alexander Pak, comentou os resultados do estudo:"O que também torna esta pesquisa importante é que os nanopós de carboneto metálico previstos e sintetizados podem encontrar aplicações em sistemas catalíticos para a produção de hidrogênio por divisão de água. Isso serve para mostrar que a colaboração entre o Ecoenergy 4.0 Research Center da TPU e o Project Center for Energy Transition e ESG da Skoltech pode resultar em novos materiais impressionantes para a indústria de energia." + Explorar mais

A síntese de materiais superduros ficou mais barata