20 نوامبر 2024 -توسط اولگ شرباکوف، موسسه علم و فناوری اسکولکوف
ساختارهای کریستالی سلول های واحد شبیه سازی شده از کاربید با آنتروپی بالا، کربنیترید با آنتروپی بالا و نیترید با آنتروپی بالا. اتم های کربن با کره های خاکستری، نیتروژن با آبی، تانتالوم با آبی روشن، زیرکونیوم با صورتی روشن، هافنیوم با نارنجی، نیوبیم با سبز و تیتانیوم با زرد نشان داده می شوند. اعتبار: مجله آلیاژها و ترکیبات (2024). DOI
گروهی از محققان از Skoltech، دانشگاه پلی‌تکنیک تومسک و سایر سازمان‌های دانشگاهی در روسیه و چین از روش سنتز دینامیکی پلاسما برای به دست آوردن یک کاربید با آنتروپی بالا – ترکیبی از تیتانیوم، زیرکونیوم، نیوبیم، هافنیوم، تانتالم با کربن – و کربنیترید – محلول جامدی که توسط کاربیدها و نیتریدهای فلزات واسطه تشکیل می شود – به شکل نانوپودر.
فناوری جدید روشی ساده و جهانی برای تولید مواد با آنتروپی بالا فراهم می‌کند که در پوشش‌های محافظ، انرژی هسته‌ای، باتری‌های لیتیوم یون، کاتالیزورها و میکروالکترونیک استفاده می‌شوند. نتایج در مجله آلیاژها و ترکیبات منتشر شده است.
ترکیب ترکیبات با آنتروپی بالا شامل چهار یا چند عنصر مختلف است – در این مورد، فلزات و کربن. در این مقاله، دانشمندان از فناوری جدیدی استفاده کردند و کاربید را از تیتانیوم، زیرکونیوم، نیوبیم، هافنیوم و تانتالیوم (TiZrNbHfTaС5) و همچنین کربنیترید از این اجزا را سنتز کردند.
نویسندگان اشاره می کنند که این ماده به دلیل خواص مکانیکی بالا و پایداری دما یکی از مناسب ترین مواد برای ساخت عناصر سرامیکی با دمای فوق العاده بالا است. با این حال، سنتز کاربید دشوار است: نیاز به آماده‌سازی دقیق مواد اولیه دارد و در دماهای بسیار بالا (حدود 2200 تا 2300 درجه سانتیگراد) برای مدت طولانی انجام می‌شود.
“مواد چند جزئی و با آنتروپی بالا از زمان‌های اخیر مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. ما ساختارهای مختلف کربنیتریدها را با غلظت‌های مختلف نیتروژن و کربن مدل‌سازی کردیم و پایداری ترمودینامیکی را در دماهای مختلف مطالعه کردیم. متوجه شدیم که مقدار زیادی نیتروژن می‌تواند منجر به تنش‌های مکانیکی قوی شود. پروفسور الکساندر کواشنین، سرپرست مطالعه، از انرژی اسکلتک گفت: مرکز انتقال شبکه، که بر پایداری مواد تأثیر منفی خواهد گذاشت..
برای سنتز کاربید و کربنیترید، گروه تحقیقاتی از روش سنتز دینامیک پلاسما استفاده کردند. از یک جت پلاسمای پرسرعت تخلیه قوس به عنوان واسطه ای برای واکنش های سنتز شیمیایی پلاسما با انرژی بالا استفاده می کند. تخلیه قوس و جریان پلاسما متعاقب آن با استفاده از یک شتاب دهنده مگنتوپلاسمای کواکسیال ایجاد می شود.
دیمیتری نیکیتین، نویسنده اصلی، دانشیار TPU گفت:
“در این مقاله، ما بر روی استفاده از یک نصب علمی منحصر به فرد – یک شتاب دهنده مگنتوپلاسما کواکسیال تمرکز می کنیم. در کمتر از یک میلی ثانیه، یک جت پلاسما با سرعت بالا ایجاد می شود که امکان افزایش دما، فشار و نرخ تبلور لازم برای ایجاد منحصر به فرد را فراهم می کند..
ما به همراه همکاران Skoltech، بر اساس روش‌های طراحی مواد به کمک کامپیوتر، موفق شدیم که Ti، Zr، Nb، Hf، Ta، C و N را به طور تجربی در یک ساختار واحد ترکیب کنیم. این روش به آماده‌سازی خاصی از خام نیاز ندارد. موادی که با مصرف کم انرژی مشخص می شود، جهانی است و سنتز طیف گسترده ای از مواد را فراهم می کند: کاربیدها، نیتریدها، اکسیدها، نانوساختارهای کربنی و کامپوزیت ها.
استفاده از روش دینامیک پلاسما برای سنتز کاربیدها و کربنیتریدهای با آنتروپی بالا منجر به تولید پودرهای مونوفاز با کیفیت بالا می شود. این روش نه تنها تولید کارآمد کاربید خالص با آنتروپی بالا TiZrNbHfTaС5 را به شکل تک کریستالی پراکنده امکان پذیر می کند، بلکه ورود نیتروژن به شبکه کریستالی را تضمین می کند و در نتیجه ساختارهای نزدیک به کربنیترید را سنتز می کند.
با استفاده از مخلوطی از پیش سازهای بدون کربن در یک اتمسفر گاز حاوی نیتروژن، می توان موادی حاوی حداکثر 8 درصد وزنی نیتروژن به دست آورد.
