Российские ученые создали уникальную керамику для деталей газовых и авиатурбин - Сколтех
Современная авиация и энергетика нуждаются в покрытиях, способных работать при температурах выше 1200 градусов по Цельсию. Широко применяемые сегодня теплозащитные покрытия на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, при перегреве начинают терять свойства, что ограничивает ресурс и эффективность двигателей. Поэтому исследователи искали материал с более высокой термостабильностью и подходящими теплофизическими характеристиками.
Источник: Новости науки. Иллюстрация создана с помощью нейросетей.
МОСКВА, 10 марта. /Новости науки/. Российские ученые из Сколтеха, Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН и других научных организаций разработали, под руководством профессора Артема Оганова, уникальную керамику на основе двойного перовскита (Ba₂YNbO₆), которая сохраняет стабильность при температурах, близких к 2000 градусов по Цельсию и выше и подходит для покрытия деталей авиационных двигателей и газовых энерготурбин, работающих в условиях экстремально высоких температур, сообщает пресс-служба Сколтеха.
«Мы смоделировали поведение системы из 20 тысяч атомов в течение наносекундных интервалов времени — такой уровень детализации стал возможен только благодаря использованию нейросетевых потенциалов и графических ускорителей. Тот факт, что наши расчёты 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», - приводятся в сообщении слова заслуженного профессора, руководителя Лаборатории дизайна материалов в Сколтехе и научного руководителя исследования Артёма Оганова.
Современная авиация и энергетика нуждаются в покрытиях, способных работать при температурах выше 1200 градусов по Цельсию. Широко применяемые сегодня теплозащитные покрытия на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, при перегреве начинают терять свойства, что ограничивает ресурс и эффективность двигателей. Поэтому исследователи искали материал с более высокой термостабильностью и подходящими теплофизическими характеристиками.
Ученые опирались на связку «суперкомпьютерное моделирование + лабораторная проверка». В Сколтехе с помощью машинного обучения и молекулярной динамики рассчитали поведение атомов Ba₂YNbO₆ при нагреве и заранее оценили ключевые параметры для термобарьерных покрытий — теплопроводность и коэффициент теплового расширения. Затем в ИНХ СО РАН синтезировали порошок методом твердофазных реакций при температурах до 1500°C и получили плотные керамические образцы с помощью искрового плазменного спекания.
Эксперименты показали, что материал не расплавился даже при нагреве почти до 2000 градусов по Цельсию, что подтверждает его высокую термическую стабильность. При 1000 градусов по Цельсию теплопроводность составила около 1,9 Вт/(м·К) — это ниже, чем у нынешнего «стандартного» покрытия, а значит, такой слой потенциально лучше защищает металлическую основу от перегрева.
Еще один важный параметр — коэффициент теплового расширения — оказался близок к расширению металла лопаток, что снижает риск образования трещин при многократных циклах нагрева и охлаждения, отмечается в сообщении.
Жесткость и нанотвердость нового материала сопоставимы с уже используемыми керамиками. Ученые также зафиксировали небольшое изменение структуры примерно при минус 10° градусов по Цельсию, но подчеркнули, что оно не влияет на объем и макроскопические свойства, поэтому не является препятствием для применения в двигателях.
По оценке авторов, новая керамика открывает путь к более жаростойким термобарьерным покрытиям и, как следствие, к двигателям следующего поколения — с более высоким КПД, меньшим расходом топлива и увеличенным сроком службы.
Результаты работы ученые опубликовали в журнале Ceramics International.
«Мы смоделировали поведение системы из 20 тысяч атомов в течение наносекундных интервалов времени — такой уровень детализации стал возможен только благодаря использованию нейросетевых потенциалов и графических ускорителей. Тот факт, что наши расчёты 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», - приводятся в сообщении слова заслуженного профессора, руководителя Лаборатории дизайна материалов в Сколтехе и научного руководителя исследования Артёма Оганова.
Современная авиация и энергетика нуждаются в покрытиях, способных работать при температурах выше 1200 градусов по Цельсию. Широко применяемые сегодня теплозащитные покрытия на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, при перегреве начинают терять свойства, что ограничивает ресурс и эффективность двигателей. Поэтому исследователи искали материал с более высокой термостабильностью и подходящими теплофизическими характеристиками.
Ученые опирались на связку «суперкомпьютерное моделирование + лабораторная проверка». В Сколтехе с помощью машинного обучения и молекулярной динамики рассчитали поведение атомов Ba₂YNbO₆ при нагреве и заранее оценили ключевые параметры для термобарьерных покрытий — теплопроводность и коэффициент теплового расширения. Затем в ИНХ СО РАН синтезировали порошок методом твердофазных реакций при температурах до 1500°C и получили плотные керамические образцы с помощью искрового плазменного спекания.
Эксперименты показали, что материал не расплавился даже при нагреве почти до 2000 градусов по Цельсию, что подтверждает его высокую термическую стабильность. При 1000 градусов по Цельсию теплопроводность составила около 1,9 Вт/(м·К) — это ниже, чем у нынешнего «стандартного» покрытия, а значит, такой слой потенциально лучше защищает металлическую основу от перегрева.
Еще один важный параметр — коэффициент теплового расширения — оказался близок к расширению металла лопаток, что снижает риск образования трещин при многократных циклах нагрева и охлаждения, отмечается в сообщении.
Жесткость и нанотвердость нового материала сопоставимы с уже используемыми керамиками. Ученые также зафиксировали небольшое изменение структуры примерно при минус 10° градусов по Цельсию, но подчеркнули, что оно не влияет на объем и макроскопические свойства, поэтому не является препятствием для применения в двигателях.
По оценке авторов, новая керамика открывает путь к более жаростойким термобарьерным покрытиям и, как следствие, к двигателям следующего поколения — с более высоким КПД, меньшим расходом топлива и увеличенным сроком службы.
Результаты работы ученые опубликовали в журнале Ceramics International.
