Учёные из Сколтеха, Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН и других российских научных центров разработали новую керамику. В её основе — двойной перовскит Ba2YNbO6, способный выдерживать температуры свыше 2000 градусов Цельсия. Этот материал предназначен для верхнего слоя теплозащитных покрытий на деталях, работающих в условиях экстремального нагрева, прежде всего в авиадвигателях и газовых турбинах энергоустановок.
Потребность в прорывных материалах
Современные авиация и энергетика остро нуждаются в материалах, работающих при температурах выше 1200 градусов. Используемые сегодня покрытия на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, теряют свойства при перегреве, ограничивая ресурс двигателей. Учёные поставили задачу найти более совершенную замену, применив комплексный подход: суперкомпьютерное моделирование и реальные эксперименты.
Сила суперкомпьютерного моделирования
Используя машинное обучение и молекулярную динамику на суперкомпьютерах Сколтеха, исследователи рассчитали поведение атомов в кристаллической структуре при нагреве. Это позволило точно предсказать теплопроводность и коэффициент теплового расширения материала, идеально подходящие для термобарьерных покрытий.
От теории к практике: синтез и испытания
Специалисты Института неорганической химии синтезировали порошок методом твёрдофазных реакций при температурах до 1500 градусов. С помощью искрового плазменного спекания они получили высокоплотные керамические образцы. В ходе испытаний материал продемонстрировал выдающуюся термическую стабильность, не расплавившись даже при нагреве почти до 2000 градусов.
Преимущества нового покрытия
При рабочей температуре 1000 градусов теплопроводность материала составила всего около 1,9 Вт/(м.К) — ниже, чем у текущего стандарта. Это означает лучшую защиту металла от высоких температур. Коэффициент теплового расширения близок к расширению металла лопаток, предотвращая трещины при циклах нагрева-охлаждения. Жёсткость и нанотвёрдость сопоставимы с существующими материалами. Незначительное изменение структуры при минус 10 градусах не влияет на объём и макроскопические свойства.
Точность прогноза и будущие перспективы
Исследователи подчеркнули, что современные вычислительные методы, включая сверхбыстрые потенциалы межатомного взаимодействия на основе машинного обучения и метод неравновесной молекулярной динамики, позволили с высокой точностью предсказать поведение Ba2YNbO6. Теоретические расчёты теплопроводности и теплового расширения практически полностью совпали с экспериментальными данными. Это доказывает, что подход позволяет осуществлять направленный дизайн материалов, начиная с компьютерного поиска до лабораторного синтеза. Моделирование поведения системы из 20 тысяч атомов в наносекундных интервалах подтвердило зрелость теоретических методов для предсказания новых соединений под сложные инженерные задачи. Разработка открывает перспективы для двигателей нового поколения с повышенным КПД, сниженным расходом топлива и увеличенным сроком службы.
Источник: indicator.ru
