Исследователи из Сколтеха и Томского политеха настроили синтез пятикомпонентного карбида — прочного и тугоплавкого соединения углерода и пяти переходных металлов, которое имеет перспективы применения в промышленной керамике и катализе.
На основании фундаментальных теоретических принципов, численного моделирования и машинного обучения учёные определили условия синтеза однофазного карбида — так называется состояние вещества, где все атомы металлов равномерно распределены по объёму кристалла, — и подтвердили верность предсказания экспериментально. При этом использовался перспективный безвакуумный электродуговой метод синтеза, который экономит значительное количество электроэнергии. Исследование опубликовано в журнале первого квартиля npj Computational Materials.
Высокоэнтропийные карбиды (ВЭК) — соединения, представляющие собой эквимолярный многокомпонентный однофазный твёрдый раствор из пяти и более карбидов переходных металлов IV и V групп, имеющих кубическую кристаллическую решётку типа NaCl. Одним из основных факторов, отвечающих за стабилизацию ВЭК, является конфигурационная энтропия, или энтропия смешивания, которая должна быть больше 1,5R, где R — универсальная газовая постоянная, то есть в составе должно быть не менее пяти основных элементов.
Эти материалы обладают уникальными механическими свойствами, имеют высокую температуру плавления, низкую теплопроводность, чем и привлекают всё больший интерес у исследователей. По сравнению с бинарными соединениями карбидов, ВЭК обладают повышенной твёрдостью, трещиностокойстью и температурной стабильностью.
Наиболее распространённым методом синтеза высокоэнтропийных карбидов является реакционное искровое плазменное спекание (ИПС) предварительно гомогенизированного сырья на основе индивидуальных карбидов металлов, чистых металлов или оксидов металлов. Обычно синтез ВЭК проводится при высоких температурах порядка 2 200–2 300 °C, а ИПС осуществляется при давлении порядка 10–60 МПа с выдержкой 10–15 мин. В то же время гомогенизация сырья может проводиться более одного дня.
«Метод безвакуумного электродугового синтеза позволяет получать высокоэнтропийный карбид в виде порошка без использования сложного дорогостоящего оборудования, потребляющего основной объём электроэнергии, в частности вакуумных насосов для достижения высокого вакуума или прессов для создания внешнего давления. На нашей установке порошок высокоэнтропийного карбида синтезируется без применения давлений и вакуума, в чём и заключается уникальность установки. Кроме того, мы можем гибко варьировать параметры синтеза, чтобы получать как многофазные образцы, так и однофазные. ВЭК является относительно новым классом материалов, и нам ещё предстоит определить фактические свойства материала и направления его использования, в частности, для создания тугоплавкой керамики, катализаторов различного назначения и в других областях», — рассказывает Александр Пак, кандидат технических наук, заведующий Лабораторией перспективных материалов энергетической отрасли, руководитель стратегического проекта «Энергия будущего» ТПУ.
Сотрудники Сколтеха, ТПУ, РНИМУ с помощью методов канонического Монте-Карло (КМК) с использованием межатомных потенциалов машинного обучения, а также первопринципных расчётов определили температурные условия для образования однофазных и многофазных образцов. Расчёты показали, что использование низкой температуры синтеза будет приводить преимущественно к образованию многокомпонентных образцов ВЭК, где имеет место сосуществование двух и более различных фаз многокомпонентных карбидов, в то время как при температурах выше 1 500 °C будет образовываться однофазный образец ВЭК.
«Метод канонического Монте-Карло позволил нам предсказать термодинамически стабильную кристаллическую структуру ВЭК при различных температурах синтеза, в результате чего была определена температура перехода многофазного ВЭК в однофазный. Наши данные моделирования были использованы для проведения экспериментов при температурах ниже температуры перехода и выше. Результаты эксперимента подтвердили полученные нами данные моделирования. Таким образом, мы смогли реализовать единую исследовательскую цепочку от компьютерной модели до реального образца», — рассказывает Вадим Сотсков, аспирант группы по применению искусственного интеллекта для материаловедения Сколтеха.
Работа выполнена при финансировании Российского научного фонда (проект 18-13-00479 — теоретические расчёты, 21-79-10030 — проведение экспериментов в области синтеза ВЭК).