Ученые из «Сколтеха», Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН, а также других научных организаций России создали новую керамику на основе двойного перовскита Ba?YNbO?, способную выдерживать температуры свыше 2 тыс. 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. Об этом CNews сообщили представители «Сколтеха».
Современная авиация и энергетика остро нуждаются в материалах, которые могут работать при экстремальных температурах, превышающих 1,2 тыс. градусов, поскольку используемые сегодня покрытия из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, начинают терять свои свойства при перегреве, что ограничивает ресурс двигателей. Учёные поставили перед собой задачу найти более совершенную замену и впервые применили для анализа свойств этого материала комплексный подход, сочетающий суперкомпьютерное моделирование и реальные эксперименты.
С помощью машинного обучения и молекулярной динамики на суперкомпьютерах в «Сколтехе» исследователи рассчитали, как атомы ведут себя внутри кристаллической структуры при нагреве. Это позволило предсказать теплопроводность и коэффициент теплового расширения материала, которые оказались подходящими для термобарьерных покрытий. Затем специалисты Института неорганической химии синтезировали порошок методом твердофазных реакций при температурах до 1,5 тыс. градусов и с помощью искрового плазменного спекания получили высокоплотные керамические образцы.
В ходе экспериментов новая керамика не расплавилась даже при нагреве почти до 2 тыс. градусов, что подтверждает ее высокую термическую стабильность. При рабочей температуре 1 тыс. градусов теплопроводность материала составила всего около 1,9 Вт/(м·К) — это даже ниже, чем у используемого сейчас стандарта, а значит, покрытие лучше защищает металл от высоких температур.
Коэффициент теплового расширения оказался близок к расширению металла лопаток, что предотвращает появление трещин при циклах нагрева и охлаждения. Механические свойства — жесткость и нанотвердость — сопоставимы с существующими материалами. Ученые также подтвердили, что при температуре около минус 10 градусов в структуре происходит незначительное изменение, однако оно никак не влияет на объем материала и его макроскопические свойства, поэтому не является препятствием для использования в двигателях.
«Благодаря современным вычислительным методам, включающим сверхбыстрые и точные потенциалы межатомного взаимодействия на основе машинного обучения и метод неравновесной молекулярной динамики мы смогли с высокой точностью предсказать поведение и свойства Ba?YNbO? при различных температурах. Наши теоретические расчеты теплопроводности и теплового расширения практически полностью совпали с экспериментальными данными, полученными затем нашими новосибирскими коллегами. Это подтверждает, что выбранный нами подход позволяет не просто подбирать материалы вслепую, а осуществлять направленный дизайн, начинающийся с компьютерного поиска еще до лабораторного синтеза», — сказал Маджид Зераати, постдок Лаборатории дизайна материалов «Сколтеха» и один из ведущих авторов исследования.
«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», — сказал заслуженный профессор Артем Оганов, руководитель Лаборатории дизайна материалов в «Сколтехе» и научный руководитель исследования.
Новая разработка открывает перспективы для создания двигателей следующего поколения с более высоким коэффициентом полезного действия, сниженным расходом топлива и увеличенным сроком службы.
Поделиться
