Ниже тысячи градусов

В Томском научном центре СО РАН в рамках трехгодичного гранта РФФИ под руководством профессора Ю.М. Максимова разрабатываются новые эффективные способы получения карбидов, нитридов и боридов титана и циркония. Материалы на их основе применяются в качестве теплозащитных материалов в аэрокосмической отрасли, используются в атомной энергетике, а также при создании высокотемпературной техники.

– Получить такие соединения – задача весьма непростая, необходимым условием является высокая температура (более полутора тысяч градусов Цельсия), – рассказывает Александр Аврамчик, научный сотрудник лаборатории новых металлургических процессов ТНЦ СО РАН. – Использование высокотемпературных печей для нагрева сопряжено с большими затратами электроэнергии, неэффективным использованием тепловой энергии, так как нагревать приходится не только сам материал, но и камеру, внутрь которой он помещен. Поэтому большой интерес вызывают энергосберегающие технологии получения такого класса материалов, как, например, синтез в режиме горения. С помощью горения термитных систем из относительно недорого сырья – оксидов – можно получать различные металлы, сплавы и их соединения.

В ходе реализации проекта исследуются фундаментальные основы металлотермических методов, которые предполагают применение металлов-восстановителей. Они вытесняют из соединений менее активные металлы, а также служат источником нагрева. Традиционно одним из самых сильных и часто применяемых восстановителей является кальций. Однако в некоторых случаях (при восстановлении урана или редкоземельных металлов) тепла, выделяющегося в ходе горения, оказывается не достаточно для получения необходимого соединения в волне горения.

Как поясняет Александр Николаевич, новый путь решения этой проблемы, не предполагающий применение внешнего источника нагрева, – это введение экзотермических добавок. Одной из таких эффективных добавок, открывающих качественно новые возможности при получении тугоплавких соединений, является смесь иодата кальция с металлическим кальцием:

– Иодат кальция существует в природе в виде минерала – лаутарита, это принципиально важно, так как показывает устойчивость этого соединения в условиях окружающей среды в течение длительного времени.

При высоких температурах иодат кальция разлагается с выделением газообразного йода и кислорода, благодаря чему происходит активация процессов восстановления оксидов в режиме горения. Необходимо подчеркнуть, что в России исследования в области возможностей применения таких экзотермических добавок, ранее не проводились. Поэтому работы, ведущиеся в Томском научном центре СО РАН, носят пионерный характер.

За это время учеными были проведены работы по термодинамическому моделированию и экспериментальному исследованию свойств иодата кальция и процессов синтеза тугоплавких соединений с его участием, в ходе которых удалось изучить и описать превращения иодата кальция при его нагреве, рассчитаны температуры горения, а также исследовать закономерности горения соединений и состав получаемых в ходе реакций продуктов.

Учеными был получен интересный и неожиданный результат. Им удалось провести процесс восстановления металлов в режиме горения при температуре ниже тысячи градусов Цельсия. Как правило, такие процессы могут протекать при температуре не ниже полутора тысяч градусов. Возможность проведения синтеза тугоплавких соединений при столь низкой температуре дает новые перспективы: технологический процесс проходит в более мягких условиях, что влечет за собой получение порошков с иными свойствами и размерами (более мелкими), а также позволяет снизить температурную нагрузку на материал технологического оборудования.