"Ученые из "Сколтеха", Института неорганической химии имени А. В. Николаева Сибирского отделения РАН (ИНХ СО РАН), а также других научных организаций России создали новую керамику на основе двойного перовскита, способную выдерживать температуры свыше 2000 градусов Цельсия. Материал может использоваться в качестве верхнего слоя теплозащитных покрытий для деталей, работающих в условиях экстремально высоких температур, – прежде всего в авиационных двигателях и газовых турбинах энергетических установок. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Ceramics International", – говорится в сообщении.
Перовскит – это титанат кальция, достаточно редкий для поверхности Земли минерал. Он был впервые найден на Урале в 1839 году и назван в честь сенатора Льва Перовского. Структура перовскита позволяет создавать на его основе высокотемпературные сверхпроводники. Двойной перовскит – это упорядоченная производная структура перовскита, где элементарная ячейка минерала удваивается. Формула нового материала содержит барий, иттрий и ниобий – Ba₂YNbO₆.
Современная авиация и энергетика испытывает острую нужду в материалах, которые могут работать при экстремальных температурах, превышающих 1200 градусов, пояснили в "Сколтехе". В настоящее время для деталей, которые переносят подобные температуры, используются покрытия из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Они начинают терять свои свойства при перегреве, что ограничивает ресурс двигателей.
Исследователи поставили перед собой задачу найти им более совершенную замену. С помощью машинного обучения и молекулярной динамики ученые рассчитали, как атомы ведут себя внутри кристаллической структуры при нагреве. Это позволило предсказать теплопроводность и коэффициент теплового расширения материала, подходящие для подобных покрытий.
Специалисты ИНХ СО РАН синтезировали порошок методом твердофазных реакций при температурах до 1500 градусов и с помощью искрового плазменного спекания получили высокоплотные керамические образцы. В ходе экспериментов новая керамика не расплавилась даже при нагреве почти до 2000 градусов, что подтвердило ее высокую термическую стабильность. При рабочей температуре 1000 градусов теплопроводность материала ниже, чем у используемого сейчас стандарта, подчеркивают в институте.
Коэффициент теплового расширения нового типа керамики предотвращает появление трещин при циклах нагрева и охлаждения. При этом ее механические свойства (жесткость и нанотвердость) сопоставимы с существующими материалами. При температуре около минус 10 градусов в структуре происходит незначительное изменение, которое не влияет на объем материала и его макроскопические свойства и не является препятствием для использования в двигателях.
"Мы смоделировали поведение системы из 20 тыс. атомов в течение наносекундных интервалов времени – такой уровень детализации стал возможен только благодаря использованию нейросетевых потенциалов и графических ускорителей. Тот факт, что наши расчеты практически идеально совпали с экспериментальными данными, полученными новосибирскими коллегами, демонстрирует зрелость современных теоретических подходов. Теперь мы можем не просто объяснять свойства уже известных материалов, а уверенно предсказывать новые соединения для самых сложных инженерных задач", – рассказал научный руководитель исследования, руководитель лаборатории дизайна материалов "Сколтеха" Артем Оганов.
Новая разработка открывает перспективы для создания двигателей следующего поколения с более высоким коэффициентом полезного действия, сниженным расходом топлива и увеличенным сроком службы.
Сколковский институт науки и технологий ("Сколтех") – российский негосударственный вуз. Был основан в 2011 году при участии Массачусетского технологического института. В 2022 году последний прекратил сотрудничество со "Сколтехом". Институт занимается научной, исследовательской и образовательной деятельностью. Вуз дважды вошел в топ-100 лучших молодых университетов мира международного рейтинга Nature Index.
