Учёные из Сколтеха и Томского политехнического университета предложили эффективный и экономичный метод синтеза сверхтвёрдого материала — пентаборида вольфрама. Он может применяться в различных отраслях промышленности, в том числе в технологиях бурения. Исследование попало на обложку майского выпуска журнала Inorganic Chemistry, в котором опубликована статья.
Бориды вольфрама не случайно привлекли внимание учёных: по твёрдости, термостойкости, низкой теплопроводности и другим механическим свойствам эти соединения значительно превосходят другие материалы, не имевшие аналогов по этим характеристикам на протяжении почти ста лет. Существующие сегодня методы синтеза борида вольфрама требуют использования вакуума или инертной атмосферы и высокого давления, что ведёт к увеличению производственных затрат и ограничивает возможности как по масштабированию метода, так и по организации самого производства.
«Высший борид вольфрама WB5−x обладает чрезвычайно высокой износостойкостью, и мы пытались найти эффективный метод, позволяющий синтезировать этот материал в больших объёмах, — рассказывает первый автор статьи, старший преподаватель Проектного центра по энергопереходу и ESG Сколтеха Александр Квашнин. — Мы не только потратили на эту работу много времени и сил, но и столкнулись с немалыми трудностями при определении отдельных фаз вещества в синтезированных образцах. Большой подмогой для нас стали вычислительные методы, используя которые мы смогли досконально исследовать условия синтеза и структуру полученного материала. В результате нам удалось получить двухфазный образец, содержащий соединения WB2 и WB5−x».
«Предсказанные коллегами из Сколтеха кристаллические фазы боридов вольфрама были успешно синтезированы оригинальным безвакуумным электродуговым методом на разработанном в Томском политехническом университете плазменном реакторе. Его главными особенностями являются простота конструкции и используемой методики, отсутствие необходимости использования высокотехнологичных дорогостоящих узлов и деталей. По нашим оценкам, эта методика экономит до 90% электрической энергии при работе в сравнении с прямыми аналогами, по крайней мере на уровне лабораторных объемов синтеза», — говорит научный сотрудник Научно-исследовательского центра «Экоэнергетика 4.0» ТПУ Александр Пак.
Исследование проводилось с использованием специально разработанной экспериментальной системы, основу которой составляют графитовый анод (стержень) и графитовый катод в форме тигля. Исходную смесь вольфрама и бора уплотняли и помещали на дно катода. Между анодом и катодом поджигали электродуговой разряд в открытой воздушной среде. При этом кислород воздуха окислял углерод, образуя автономную газовую среду в полости тигля; температура за счёт горения дуги поднималась, и происходил синтез различных фаз боридов вольфрама — в зависимости от соотношения исходных компонентов и режимов плазменной обработки. Отсутствие необходимости в использовании вакуумного оборудования — главное преимущество разработанного метода, который в перспективе можно будет внедрять на крупносерийном производстве.
«Мы дополнительно доработали наш метод таким образом, чтобы производить тонкую настройку параметров эксперимента для контроля состава материала, что позволило добиться увеличения содержания WB5−x в образце до 61,5% по объёму», — отмечает Квашнин.
Разработанный безвакуумный метод — первый шаг на пути создания недорогой и контролируемой технологии синтеза сверхтвёрдого борида вольфрама WB5−x с превосходными механическими свойствами в больших объёмах для широкого спектра промышленных применений.
По мнению учёных, синтезированный борид вольфрама также можно будет использовать для отбора углекислого газа из промышленных выбросов и производства «голубого» водорода. Основное преимущество борида вольфрама WB5−x как катализатора — возможность его повторного использования в экспериментальной системе.