Синтез высокоэнтропийных карбидов в плазме дугового разряда постоянного тока безвакуумным методом

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-79-10030

НазваниеСинтез высокоэнтропийных карбидов в плазме дугового разряда постоянного тока безвакуумным методом

Руководитель Пак Александр Яковлевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые слова высокоэнтропийные карбиды, новые материалы, ультратугоплавкие материалы, электродуговой синтез, безвакуумный метод, свойства

Код ГРНТИ61.31.40

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Пак А.Я., Гринчук П.С., Гумовская А.А., Васильева Ю.З. Synthesis of transition metal carbides and high-entropy carbide TiZrNbHfTaC5 in self-shielding DC arc discharge plasma Ceramics International, Ceramics International, https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.10.165 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ceramint.2021.10.165

2. Гумовская А.А., Корчагина А.П. РАСТРОВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ КАРБИДА ТАНТАЛА, ПОЛУЧЕННОГО В ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА XXV Туполевские чтения (школа молодых ученых): Международная молодёжная научная конференция, 10–11 ноября 2021 года: Материалы конференции. Сборник докладов., XXV Туполевские чтения (школа молодых ученых): Международная молодёжная научная конференция, 10–11 ноября 2021 года: Материалы конференции. Сборник докладов. – В 6 т.; Т. 3. – Казань. 2021. C. 114-117. (год публикации - 2021)

3. Пак А.Я., Гумовская А.А., Янковский С.А., Ларионов К.Б., Корчагина А.П. Electric Arc Synthesis of Biomorphic Titanium Carbide from Wood Sawdust Solid Fuel Chemistry, Vol. 56, No. 3, pp. 199–205 (год публикации - 2022)
10.3103/S0361521922030065

4. Гумовская А.А., А.Я. Пак СИНТЕЗ КАРБИДА ТИТАНА ИЗ ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВЫМ МЕТОДОМ Бутаковские чтения: материалы I Всероссийской с международным участием молодежной конференции. – Томск, c. 291-294 (год публикации - 2021)

5. Гумовская А.А. Просвечивающая электронная микроскопия карбида тантала, полученного в электродуговой плазме постоянного тока Труды 64-й Всероссийской научной конференции МФТИ. Электроника, фотоника и молекулярная физика, с. 178-179 (год публикации - 2021)

6. Гумовская А.А., Пак А.Я. ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНОГО КАРБИДА КАК КАТАЛИЗАТОРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА III Всероссийская конференция Водород. Технологии. Будущее Консорциум водородных технологий, c. 6 (год публикации - 2022)

7. Гумовская А.А., Пак А.Я., Болатова Ж. С., Поваляев П.В., Герасимов Р.Д. Arc plasma synthesis of IV-V groups transition metals high-entropy carbides cubic phases Proceedings of 8th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, 1-5 (год публикации - 2022)
10.56761/EFRE2022.N1-P-027501

8. Гумовская А.А., Пак А.Я., Болатова Ж. С., Поваляев П.В., Герасимов Р.Д. ARC PLASMA SYNTHESIS OF IV-V GROUPS TRANSITION METALS HIGH-ENTROPY CARBIDES CUBIC PHASES 8th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE 2022) Abstracts, p. 490 (год публикации - 2022)

9. Пак А.Я., Мамонтов Г.Я., Гумовская А.А., Васильева Ю.З. Synthesis of Ultra-High Temperature Metal Carbides by Atmospheric DC Arc Plasma Processing AIP Conference Proceedings, No. 020008, Vol. 2503 (год публикации - 2022)
10.1063/5.0100249

10. Пак А.Я., Ларионов К.Б., Янковский С.А., Васильева Ю.З., Болатова Ж., Гумовская А.А., Мамонтов Г.Я., Якич Т.Ю. Synthesis and oxidation behavior of the materials based on carbon fibers and ultra-high temperature binary and high-entropy carbides Materialia, No. 101617, Vol. 26 (год публикации - 2022)
10.1016/j.mtla.2022.101617

11. Пак А.Я., Корчагина А.П., Гумовская А.А., Янковский С.А., Арышева Г.В., Колобова Е.Н., Болатова Ж. Energy-efficient direct current arc plasma synthesis of tantalum carbide powder by advanced vacuum-free method International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Volume 112, 106131 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ijrmhm.2023.106131

12. Пак А.Я., Сотсков В., Гумовская А.А., Васильева Ю.З., Болатова Ж., Квашнина Ю.А., Мамонтов Г.Я., Шапеев А.В., Квашнин А.Г. Machine learning-driven synthesis of TiZrNbHfTaC5 high-entropy carbide npj computational materials, Vol. 9, № 1, p. 7 (год публикации - 2023)
10.1038/s41524-022-00955-9

13. Гумовская А.А., Пак А.Я. Получение однофазного высокоэнтропийного карбида электродуговым методом Новосибирский государственный технический университет, с. 184-186 (год публикации - 2022)

14. Гумовская А.А., Корчагина А.П., Пак А.Я., Васильева Ю.З. HIGH-ENTROPY CARBIDE AS A CATALYST FOR HYDROGEN PRODUCTION BY WATER SPLITTING 16th International Conference «Gas Discharge Plasmas and Their Applications» (GDPA-2023), 16th International Conference «Gas Discharge Plasmas and Their Applications» (GDPA-2023), p.159 (год публикации - 2023)

15. Гумовская А.А., Васильева Ю.З., Пак А.Я., Мамонтов Г.Я. Синтез многокомпонентных карбидов безвакуумным электродуговым методом Nanobiotechnology reports (год публикации - 2023)

16. Васильева Ю.З., Поваляев П.В., Корчагина А.П., Янковский С.А., Пак А.Я. Синтез порошка карбида гафния в атмосферной дуговой плазме Журнал технической физики, т. 93, вып. 9, с. 769-776 (год публикации - 2023)
10.21883/JTF.2023.06.55601.244-22

17. Гумовская А.А., Пак А.Я., Васильева Ю.З., Поваляев П.В., Комкина У.С. ВОЗМОЖНОСТЬ СИНТЕЗА ОДНОФАЗНЫХ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ КАРБИДОВ Безопасный Север – чистая Арктика: V Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием: Сургут, СурГУ, 13-14 апреля 2023 г., c. 29-31 (год публикации - 2023)

18. Васильева Ю.З., Корчагина А.П. ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА ВЫСОКОЭНТРОПИЙНОГО КАРБИДА TiZrNbHfTaC5, ПОЛУЧЕННОГО БЕЗВАКУУМНЫМ ЭЛЕКТРОДУГОВЫМ МЕТОДОМ XXVI Туполевские чтения (школа молодых ученых): Международная молодёжная научная конференция, XXVI Туполевские чтения (школа молодых ученых): Международная молодёжная научная конференция, 9-10 ноября 2023 года: Материалы конференции. Сборник докладов. – Казань: ИП Сагиев А.Р., 2023. – C. 257-261 (год публикации - 2023)

19. Васильева Ю.З., Поваляев П.В., Пак А.Я. THE WAY OF INCREASING PRODUCTION OF HIGH-ENTROPY CARBIDE TiZrNbHfTaC5 BY VACUUM-FREE ELECTRIC ARC METHOD V International Conference and School "Advanced High Entropy Materials", ADVANCED HIGH ENTROPY MATERIALS, С. 159-160 (год публикации - 2023)

20. Свинухова А. А., Корчагина А. П. Энергоэффективность устройства для получения порошка высокоэнтропийных карбидов Бутаковские чтения: сборник статей III Всероссийской с международным участием молодежной конференции, Томск: ТПУ, Бутаковские чтения: сборник статей III Всероссийской с международным участием молодежной конференции - С. 457-459 (год публикации - 2023)

21. Кокорина А.И., Свинухова А.А. Искровое плазменное спекание порошка высокоэнтропийного карбида TiZrNbHfTaC5 Новые материалы: перспективные технологии получения материалов и методы их исследования: сборник тезисов докладов 21-й Международной школы-конференции имени Б.А. Калина для молодых ученых и специалистов, Москва: НИЯУ МИФИ, Новые материалы: перспективные технологии получения материалов и методы их исследования : сборник тезисов докладов 21-й Международной школы-конференции имени Б.А. Калина для молодых ученых и специалистов - С. 50-51 (год публикации - 2023)

22. Свинухова А.А., Кузнецова А.А. ПОЛУЧЕНИЕ УЛЬТРАТУГОПЛАВКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ КАРБИДОВ Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения : сборник научных трудов Международной научно-технической молодежной конференции, Томск : Изд-во Томского политехнического университета, Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения : сборник научных трудов Международной научно-технической молодежной конференции - С. 220-222 (год публикации - 2023)

23. Пак А.Я., Углов В.В., Скуратов В.А., Свинухова А.А., Поваляев П.В., Корчагина А.П. Synthesis of TiZrNbHfTaC5 High-Entropy Carbide Powder: Sintering and Radiation Resistance Research Russian Physics Journal, Russian Physics Journal, Vol. 67, No. 5, P. 489-495 (год публикации - 2024)
10.1007/s11182-024-03148-7

24. Пак А.Я., Корчагина А.П., Свинухова А.А., Якич Т.Ю., Ларионов К.Б., Болатова Ж.С. Электродуговой синтез нестехиометричных карбидов тантала с кубической ГЦК-решеткой Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования (год публикации - 2024)

Публикации