Des chercheurs de Skoltech et de l'Université polytechnique de Tomsk ont ​​utilisé une technique inhabituelle de l'industrie aérospatiale pour synthétiser du carbure d'hafnium-tantale, un matériau difficile à fondre pour le revêtement de composants électriques et mécaniques qui fonctionnent dans des conditions extrêmes. Peu coûteuse et efficace, leur méthode dynamique au plasma peut produire du carbure de haute qualité à la fois sous forme de poudres et de revêtements sur divers substrats. Les résultats de la recherche sont rapportés dans Advanced Functional Materials .

Les carbures de métaux de transition sont des matériaux industriels importants avec des températures de fusion ultra-élevées, une dureté et une résistance à l'usure impressionnantes. Parmi eux, les carbures d'hafnium et de tantale peuvent supporter les températures les plus élevées, proches de 4 000 degrés Celsius, sans fondre. Fait intéressant, certains des carbures mixtes de ces deux métaux promettent un point de fusion encore plus élevé, ce qui rend les carbures d'hafnium-tantale potentiellement utiles pour le matériel et l'électronique fonctionnant dans des conditions extrêmes. Au-delà, ils pourraient s'avérer applicables en tant que catalyseurs pour produire de l'hydrogène à partir de l'eau.

Les approches conventionnelles de la synthèse de matériaux à points de fusion élevés, parmi lesquels les carbures de métaux de transition, reposent sur des méthodes de frittage particulières, le pressage isostatique et d'autres techniques qui nécessitent un vide poussé ou des pressions extrêmes. De telles conditions sont technologiquement difficiles, et en plus de cela, les matières premières doivent être broyées en poudres très fines, de sorte que ces méthodes sont coûteuses et gourmandes en ressources. Maintenant, les physiciens de Skoltech et TPU et leur collègue de l'Université de Pirogov ont utilisé une technique efficace et plus économique appelée synthèse dynamique du plasma pour obtenir des composés de haute qualité d'hafnium, de tantale et de carbone à la fois sous forme de poudres et de revêtements qui peuvent être déposé sur divers substrats.

La technique implique des flux de plasma pulsés accélérés et remonte à la technologie aérospatiale du milieu des années 1960. Il a été initialement développé en vue d'exploiter les flux hypersoniques générés dans les canons à plasma et les moteurs spatiaux. Finalement, plusieurs conceptions d'accélérateurs à plasma ont été proposées et au tournant du siècle, la portée de leurs applications s'est élargie pour inclure la synthèse de divers matériaux fonctionnels.

L'étude récente sur les matériaux fonctionnels avancés rapporte l'adaptation d'une de ces technologies, la synthèse dynamique par plasma, à la production de carbure d'hafnium-tantale.

"Nous utilisons une configuration expérimentale unique développée au TPU, appelée accélérateur à plasma magnétique coaxial. Nous plaçons d'abord les matériaux sources - le carbone en poudre et les oxydes d'hafnium et de tantale - dans l'accélérateur et pompons beaucoup d'énergie dans les condensateurs de stockage. Une fois le condensateurs sont déchargés, cela donne lieu à un arc électrique transformant instantanément les matériaux sources en un flux de plasma frappant la paroi du réacteur à 5 kilomètres par seconde. Ensuite, nous éliminons simplement le matériau final et le tour est joué », co-auteur de l'étude, professeur agrégé Dmitry Nikitin de TPU a raconté.

L'auteur principal de l'étude, le professeur adjoint Alexander Kvashnin de Skoltech, a commenté :« Nous avons utilisé des méthodes de calcul modernes pour faire des prédictions précises de nouveaux composés aux propriétés souhaitables, et avons combiné ces méthodes avec des techniques expérimentales inhabituelles pour ce type de composés, arriver à une synthèse peu coûteuse et sélective de ces nouveaux composés et des matériaux fonctionnels basés sur eux."

L'équipe a prédit 10 phases de carbure d'hafnium-tantale qui diffèrent dans la proportion relative des deux métaux dans le matériau résultant et les a toutes synthétisées à l'aide de la configuration expérimentale unique. "Cela montre que, contrairement aux autres méthodes, la nôtre permet de contrôler la composition du produit avec une sélectivité et une précision élevées", a déclaré Kvashnin.

En plus d'être moins exigeante pour les matériaux d'origine et les conditions du réacteur, la méthode de synthèse dynamique par plasma de l'équipe se double d'une technique pour déposer des revêtements de carbure d'hafnium-tantale sur des surfaces arbitraires. "Certains des 10 composés prédits dans cette étude n'ont pas seulement été synthétisés sous forme de poudres, mais également déposés sous forme de revêtements sur un morceau de cuivre", a ajouté Kvashnin.

Selon les chercheurs, ces revêtements en alliage dur pourraient être utilisés pour l'isolation thermique et électrique, ainsi que pour la protection contre les dommages mécaniques. "En supposant que ce morceau de cuivre soit un câble, en le recouvrant de carbure d'hafnium-tantale, nous avons rendu ce câble environ 10 fois plus dur, et l'avons isolé électriquement et protégé contre la chaleur", a poursuivi le chercheur. "D'autres composants qui fonctionnent dans des conditions difficiles pourraient également bénéficier de tels revêtements. Par exemple, vous pouvez revêtir les billes d'un roulement à billes pour augmenter considérablement sa résistance à l'usure."

Le responsable du projet stratégique Énergie du futur de TPU dans le cadre du programme Priorité 2030, Alexander Pak, a commenté les résultats de l'étude :« Ce qui rend également cette recherche importante, c'est que les nanopoudres de carbure métallique prédites et synthétisées pourraient trouver des applications dans les systèmes catalytiques. pour la production d'hydrogène par fractionnement de l'eau. Cela montre que la collaboration entre le centre de recherche Ecoenergy 4.0 de TPU et le centre de projet Skoltech pour la transition énergétique et ESG peut aboutir à de nouveaux matériaux impressionnants pour l'industrie de l'énergie. + Explorer plus loin

La synthèse de matériaux super durs moins chère