Исследователи из Сколтеха, Института неорганической химии имени А. В. Николаева СО РАН и других научных организаций разработали новую керамику на основе двойного перовскита Ba₂YNbO₆, способную выдерживать температуры свыше 2000 °C. Материал может применяться в качестве верхнего слоя теплозащитных покрытий для деталей, работающих в экстремальных условиях — прежде всего в авиационных двигателях и газовых турбинах энергетических установок. Об этом «Газете.Ru» сообщили в пресс-службе Сколтеха.
Современная авиация и энергетика нуждаются в материалах, способных работать при температурах выше 1200 °C. Используемые сегодня покрытия на основе стабилизированного иттрием диоксида циркония при сильном перегреве постепенно теряют свои свойства, что ограничивает срок службы двигателей. Чтобы найти более устойчивую альтернативу, ученые впервые применили комплексный подход, сочетающий суперкомпьютерное моделирование и лабораторные эксперименты.
С помощью методов машинного обучения и молекулярной динамики на суперкомпьютерах Сколтеха исследователи смоделировали поведение атомов в кристаллической решетке материала при нагреве. Это позволило заранее рассчитать ключевые параметры — теплопроводность и коэффициент теплового расширения — и оценить пригодность соединения для термобарьерных покрытий.
После этого специалисты новосибирского института синтезировали порошок методом твердофазных реакций при температурах до 1500 °C. Затем с помощью технологии искрового плазменного спекания были получены плотные образцы керамики для экспериментальных испытаний.
В ходе тестов материал показал высокую термическую стабильность: образцы не расплавились даже при нагреве почти до 2000 °C. При температуре около 1000 °C теплопроводность составила примерно 1,9 Вт/(м·К), что ниже, чем у используемых сегодня материалов, а значит, новая керамика лучше защищает металлические детали от перегрева.
«Благодаря современным вычислительным методам, включая потенциалы межатомного взаимодействия на основе машинного обучения и неравновесную молекулярную динамику, мы смогли с высокой точностью предсказать свойства Ba₂YNbO₆ при различных температурах», — рассказал один из ведущих авторов исследования Маджид Зераати. По его словам, теоретические расчеты практически полностью совпали с экспериментальными результатами.
Руководитель исследования, профессор Артем Оганов, отметил, что использование нейросетевых потенциалов и графических ускорителей позволило смоделировать систему из 20 тысяч атомов и проследить ее поведение на наносекундных временных интервалах. «Теперь мы можем не просто объяснять свойства уже известных материалов, а уверенно предсказывать новые соединения для сложных инженерных задач», — подчеркнул он.
По мнению ученых, новая керамика может стать основой для создания двигателей следующего поколения с более высоким КПД, меньшим расходом топлива и увеличенным сроком службы.
Ранее российские химики нашли способ снизить токсичность органического синтеза.