У Сколтеху знайшли простий спосіб отримання матеріалів для ядерної енергетики та літій-іонних акумуляторів.
Результати опубліковані в Journal of Alloys and Compounds. До складу високоентропійних сполук входять чотири або більше різних основних елементів, у цьому випадку — метали та вуглець. У дослідженні вчені за допомогою нової технології синтезували карбід з титану, цирконію, ніобію, гафнію, танталу (TiZrNbHfTaС5), а також карбонітрид з цих компонентів. Автори зазначають, що ця речовина є одним з найбільш підходящих матеріалів для виготовлення ультрависокотемпературних керамічних елементів завдяки своїм високим механічним властивостям і температурній стабільності. Проте синтез карбіду є дуже трудомістким: він вимагає ретельної підготовки вихідної сировини, а проводять його при надвисоких температурах — близько 2200-2300°C — протягом тривалого часу.
«Багатокомпонентні та високоентропійні матеріали вивчаються порівняно недавно. Ми з колегами змоделювали різні структури карбонітридів з різною концентрацією азоту та вуглецю та вивчили термодинамічну стабільність при різних температурах. Ми з'ясували, що велика кількість азоту може призвести до сильних механічних напружень решітки, що негативно вплине на стабільність матеріалу», — розповів про роботу керівник дослідження, професор Олександр Квашнін з Проектного центру з енергетичного переходу Сколтеху.
Для синтезу карбіду та карбонітрида група вчених використовувала метод плазмодинамічного синтезу. Він полягає у використанні високошвидкісного струменя плазми дугового розряду як середовища для здійснення високоенергетичних реакцій плазмохімічного синтезу. Дуговий розряд і наступний потік плазми генеруються за допомогою коаксіального магнітоплазмового прискорювача.
«У роботі йдеться про використання унікальної наукової установки — коаксіального магнітоплазмового прискорювача. За час імпульсу менше ніж одна мілісекунда відбувається формування високошвидкісного плазмового струменя, в якому досягаються підвищені температура, тиск і швидкість кристалізації, необхідні для отримання унікальних наноматеріалів.
Разом з колегами зі Сколтеху, на основі методів комп'ютерного дизайну матеріалів, нам вдалося експериментально поєднати Ti, Zr, Nb, Hf, Ta, C і N в єдину структуру. Метод не вимагає застосування особливих процедур підготовки вихідної сировини, відрізняється низькими енерговитратами та є універсальним, забезпечуючи синтез найрізноманітніших класів матеріалів: карбідів, нітридів, оксидів, вуглецевих наноструктур та композитів на їх основі», — прокоментував результати дослідження перший автор роботи, доцент ТПУ Дмитро Нікітін.
Застосування плазмодинамічного методу для синтезу високоентропійних карбідів і карбонітридів призводить до отримання високоякісних монопазних порошків. Цей метод не лише дозволяє ефективно отримувати чистий високоентропійний карбід TiZrNbHfTaС5 у дисперсній монокристалічній формі, але й забезпечує введення азоту в кристалічну решітку, тим самим синтезуючи структури, близькі до карбонітриду. Використовуючи безвуглецеву суміш прекурсорів в атмосфері азоту, можна отримувати матеріали, що містять до восьми вагових відсотків азоту.