Материал будущего: в МАИ создают новый вид керамокомпозитов

В лабораториях Московского авиационного института (национального исследовательского университета) группа учёных кафедры 903 «Материаловедение» факультета «Прикладная механика» прорабатывает новые методы получения материала будущего — композиционной керамики на основе нитрида кремния, или керамокомпозита.

Этот материал обладает высокой прочностью, твёрдостью, химической стойкостью и стойкостью к термическому шоку. При этом изделие из нитрида кремния не только весит в разы меньше, чем эквивалентные металлические конструкции, но также обладает недюжинной «стойкостью» ко многим агрессивным средам. В МАИ нитрид кремния используют для изготовления деталей перспективных электроракетных и других типов двигателей.

— Порошок кремния, а также дисперсная армирующая фаза, обычно представляющая собой шлифзерно карбида кремния или оксида алюминия, смешивается с расплавленным парафином. Эта дисперсия при 70 0С отливается под давлением не более 5 атмосфер в заранее изготовленную металлическую форму, — отмечает старший преподаватель, инженер кафедры 903 Сергей Ситников. — После отливки парафин затвердевает и его содержание в детали составляет 12-25 %. В результате двухстадийной термообработки — сначала до 180 0С в порошке-адсорбенте, а затем до 500 0С на воздухе — технологическую связку в виде парафина удаляют. Отформованный «черепок» отправляется в герметизированную печь, где в результате химического соединения кремния с азотом и получается деталь из нитрида кремния.

Процедура получения «материала будущего» начинается с вибромельницы СВМ-2: в неё засыпают 3 кг порошка кремния марки Кр00, который несколько часов размалывается при помощи 30 кг стальных шариков. Контроль качества размола производится при помощи совмещённого электроакустического анализатора размера частиц Dispersion Technology 1201. Этот прибор позволяет определить средний размер частиц и их распределение в дисперсиях с содержанием дисперсной фазы от 1 до 50 весовых процентов.

— Твёрдые частицы в жидкости «подвешены» и не «оседают» — седиментируют за счёт создания на их поверхности двойного электрического слоя, — отмечает Сергей Ситников. — Для этого мы добавляем в исследуемую дисперсию поверхностно-активные вещества. Они позволяют частичкам одноимённо зарядиться и, в соответствии с законом Кулона, «оттолкнуться» друг от друга.

Через ёмкость, наполненную исследуемой дисперсией, Dispersion Technology 1201 с излучателя на передатчик «посылает» ультразвуковые волны и, оценивая затухание сигнала, определяет средний размер частичек кремния. Этот замечательный прибор может не только измерить распределение частичек в жидкости, но также найти нужное количество поверхностно-активных веществ для получения устойчивости желаемой дисперсии. Устойчивость «взвеси» определяется дзета-потенциалом — если его модуль больше 30 мВ, то частички не осядут.

Спектр применения композитов на основе нитрида кремния¸ после повышения их технологичности, очень широк. Композит можно использовать для изготовления различных деталей и агрегатов в машиностроении, авиационно-космической технике, химической промышленности. Помимо описанной выше технологии горячего литья керамики, учёные из МАИ также «обкатывают» другие методы формовки заготовок для «рождения» нового перспективного материала. Например, электрофоретический рост или различные методы трёхмерного моделирования (3D-принтинг). На факультете для работы с керамокомпозитами и в частности с нитридом кремния создаются одновременно два различных типа 3D-принтеров: первый — для печати керамических изделий по технологии формовки заготовки Binder Jetting, а второй — по технологии FDM. С их помощью из нитрида кремния можно будет «выращивать» различные изделия геометрической формы высочайшей сложности. Разработка этих устройств принадлежит сразу двум кафедрам —903 «Материаловедение» и 904 «Инженерная графика».

— Работа по 3D-принтеру для керамокомпозитов по методу Binder Jetting проходит по Федеральной целевой программе, — отмечает Сергей Ситников. — Первые результаты нас просто окрылили. В ближайшем будущем мы планируем получать сложнейшие изделия для космической техники.

По словам Сергея Ситникова, серийного производства 3D-принтеров для нитрида кремния в России и мире ещё не существует. Может быть, именно МАИ сделает уверенный шаг в этом направлении.