Ученые ПНИПУ исследовали добавку, которая делает композитную керамику устойчивее к окислению
В современном мире требуются материалы, способные длительное время работать при агрессивном воздействии кислорода и высоких температур. Они нужны, например, для обшивки космических аппаратов, крыльев авиационной техники, деталей воздушно-реактивных и ракетных двигателей. Таким материалом выступает композитная ультравысокотемпературная керамика: различные ее виды выдерживают температуру выше 2000 градусов Цельсия. В состав такой керамики обычно вводят разные добавки, благодаря которым на поверхности материала образуется слой c защитными свойствами. Ученые ПНИПУ выяснили, что добавление оксида лантана улучшает устойчивость к окислению композитной керамики на основе диборида циркония.
Исследование опубликовано в журнале «Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия», 2023. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Политехники исследовали влияние добавки оксида лантана на окисление керамики системы «диборид циркония–карбид кремния». Эксперименты проводили на образцах без добавки и с добавлением оксида лантана в разной концентрации.
Порошки смешивали в мельнице, а затем подвергали искровому плазменному спеканию при давлении 30 МПа и температуре 1700 градусов Цельсия со скоростью нагрева при помощи тока 50 градусов в минуту и изотермической выдержкой 5 минут. Материал нагружали непосредственно перед началом нагрева и снимали нагрузку только после его окончания. Затем ученые исследовали отношение массы материала ко всему занимаемому им объему и открытую пористость (объем пор, сообщающихся между собой) спеченных образцов. Пористость негативно влияет на прочность керамики и на ее стойкость к окислению, однако, как выяснили политехники, добавление оксида лантана не вызывает ее повышения.
Окисление проводили на воздухе в специальной электропечи: образцы в тиглях помещали в печь, нагретую до 1200 градусов Цельсия, спустя определенное время их доставали и взвешивали для фиксации массы, после чего снова помещали в печь. Общее время высокотемпературного окисления составило 20 часов.
Затем ученые исследовали структуру и состав образцов, выполнили их микроскопический анализ и определили, как добавление оксида лантана изменило состав их поверхностного слоя. У образцов без добавки он содержал практически только оксиды кремния с примесью оксидов бора и циркония, а у образцов с добавкой – диоксид циркония и циркон, который значительно более устойчив к теплоудару (резкому повышению или понижению температуры).
– Стойкость к высокотемпературному окислению композитной керамики на основе диборида циркония во многом зависит от состава защитного слоя на ее поверхности. Применение оксида лантана усиливает процесс формирования циркона и способствует замедлению процесса окисления, – подводит итог доктор технических наук, профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ Светлана Порозова.
Результаты исследования будут полезны во всех сферах, где активно используется ультравысокотемпературная керамика: авиа- и ракетостроение, металлообработка, атомная и химическая промышленность. Исследования ученых в области получения керамических материалов и покрытий в настоящее время продолжаются.
Чистка гейзерной кофеварки
Пикабу конечно не для этого, но раз столько мусорных постов в ленте, то мой вопрос роли не сыграет) Уже несколько лет пользуюсь гейзерной кофеваркой. Поменял недавно. У обеих из них в баке образуются пятна.
Кофеварку каждый раз мою. Без спец. средств и не в посудомоечной машинке. В сети очень мало информации об этой проблеме. Или плохо искал... Наткнулся на зарубежном форуме на обсуждение химиков. В общем, эти пятна безвредны и на вкусе не отражаются. Окисление маслом кофе якобы.
Может кто сталкивался из вас.
Расскажите, что вы мечтаете найти под елкой
Два человека из трех мечтают получить в подарок на Новый год технику — так показывают опросы общественного мнения. Но ведь техника бывает такой разной! Расскажите, о чем мечтаете именно вы. Представьте: разворачиваете подарок, а там…
Загадка
Событие Великого окисления — это процесс интенсивного насыщения земной атмосферы кислородом.
Что вынудило цианобактерии перейти на фотосинтез — загадка.
Почему в США мосты и ЛЭП покрыты толстым слоем ржавчины?
На некоторых фотографиях из американской жизни на глаза могут попасться очень странные металлоконструкции, полностью покрытые добротным слоем ржавчины. Чаще всего это ограды, мосты или столбы линий электропередач. Что же это такое: результат коррупционного сговора строителей и властей, экономия краски или банальное наплевательство? А может быть ржавые металлоконструкции – это что-то еще?
На самом деле увидеть металлоконструкции, полностью покрытые ржавчиной, можно увидеть далеко не только в США. И конечно же, как уже можно было догадаться, ржавеют ограды, столбы и опоры не просто так. Во всяком случае, если перед вами металлоконструкция, которая покрыта ржавчиной полностью. В этом случае так и было задумано, потому что перед вами изделие из кортеновской стали.
Процесс окисления кортеновой стали
Название кортеновской стали происходит от английской аббревиатуры «COR-TEN steel», которая в свою очередь расшифровывается как «CORrosion TENsile», что в буквальном переводе означает всего лишь «устойчивый к коррозии». Название может показаться странным, однако в этом и заключается смысл! Кортен – это легированная сталь, которая защищается от ржавчины при помощи «ржавчины». Как это вообще возможно?
Кортеновская сталь была изобретена в США в 1930-е годы американской компанией U.S. Steel. Данный материал по сути является легированной сталью, но не самой обычной. Как и при выплавке любой другой современной стали в кортен добавляют определенные легирующие добавки. В первую очередь это такие классические элементы как марганец, хром, кремний, никель. Перечисленные компоненты есть почти в любой обычной легированной стали. А вот, что действительно не обычно в кортене, так это наличие в сплаве фосфора. Последний в большинстве обычных сталей считается вредной примесью! Однако, в кортене фосфор при добавлении меди и правильного количества углерода приводит к неожиданным результатам…
Благодаря правильному добавлению фосфора, легированная сталь приобретает устойчивость к атмосферной коррозии. Оказавшись на открытом воздухе, кортен начинает окисляться, в результате чего на поверхности материала образуется патина – медная пленка. Именно равномерный бархатистый слой патины и выглядит со стороны как ржавчина, при этом медная пленка защищает металлическую поверхность от дальнейшего окисления и образования обычной ржавчины. Конструкции из кортена крайне практичны из-за отсутствия необходимости использования традиционных антикоррозийных мер, например, покраски материала. И так как кортеновская сталь «ржавеет» полностью и равномерно, выглядит она вполне эстетично.
Само собой, есть некоторые «но», которые не позволяют использовать кортен повсеместно. Медная патина, образующаяся поверх чудо-материала, абсолютно не дружит с морским воздухом, насыщенном агрессивными солями, а также с атмосферой в промышленных районах, где в воздухе могут также содержаться крайне агрессивные вещества, способные уничтожить медный налет. Поэтому применение кортена ограничено географически и хозяйственно. Тем не менее, материал получил достаточно широкое распространение в строительстве, мостостроении, судостроении и даже искусстве.