Учёные Томского научного центра Сибирского отделения РАН получили электропроводящий металлокерамический композит, способный стабильно работать при температуре до 800 градусов Цельсия. Основой нового материала стали ильменит — природная титановая руда — и обычный кварцевый песок.
Разработка предназначена для изготовления пористых нагревательных элементов. Их можно применять в тепловых устройствах, системах фильтрации воздуха, каталитических нейтрализаторах и химических реакторах.
Зачем нагревателю пористая структура
Обычный сплошной элемент передаёт тепло преимущественно через внешнюю поверхность. В пористом материале площадь соприкосновения с воздухом или другой средой значительно больше.
Благодаря этому необходимое количество тепла можно передавать при более низкой рабочей температуре самого нагревателя. Такой режим уменьшает тепловую нагрузку на оборудование, способен продлить срок его эксплуатации и сократить потери энергии.
Особенно востребованы подобные материалы в установках, где нагрев совмещён с фильтрацией или химической реакцией. Поток воздуха либо газа проходит через поры, соприкасается с разогретой поверхностью и получает тепло непосредственно внутри элемента.
Материал получили методом управляемого горения
Для изготовления композита исследователи использовали метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Реакция начинается после поджигания подготовленной смеси, а затем самостоятельно распространяется по материалу за счёт выделяемого тепла.
Исходную смесь сформировали из ильменита, кварцевого песка и небольшого количества углерода. Во время синтеза температура достигала 1850-1880 градусов Цельсия.
Чтобы реакция проходила равномерно по всему объёму, образец помещали внутрь специальной оболочки, заполненной аналогичным составом. После поджигания оболочка выполняла функцию одноразовой химической печи и обеспечивала одинаковые температурные условия для разных участков будущего композита.
В результате образовался прочный пористый каркас из оксида алюминия. Внутри него равномерно распределились электропроводящие частицы соединения на основе силицида титана и железа. Сам каркас ток не проводит, однако расположенные в нём частицы формируют цепочки, по которым проходит электричество и возникает нагрев.
Добавка углерода изменила структуру композита
Свойства материала зависят от состава исходной смеси. Расчёты и эксперименты показали, что оптимальное содержание кремния составляет 57% по массе. При такой концентрации композит получается однородным, сохраняет электрические характеристики при высокой температуре и приобретает необходимую механическую прочность.
Дополнительную роль сыграла небольшая добавка углерода — от 0,5 до 1%. Она не позволила электропроводящим частицам объединиться в крупные образования.
Размер проводящей фазы удалось уменьшить почти втрое — с 4,1 до 1,3 микрометра. Чем меньше частицы, тем больше между ними точек соприкосновения. Это помогает сформировать устойчивый путь для электрического тока, улучшает проводимость и одновременно укрепляет материал.
Почему учёные выбрали минеральное сырьё
Многие жаростойкие нагреватели производят из очищенных металлических порошков. Такое сырьё требует сложной подготовки и увеличивает стоимость изготовления.
Исследователи поставили перед собой другую задачу: получить электропроводящий пористый материал из доступных природных компонентов. Ильменит содержит соединения титана и железа, необходимые для формирования проводящей фазы, а кварцевый песок служит источником кремния.
Новая технология пока не сопровождается опубликованным расчётом себестоимости. Поэтому говорить о подтверждённом снижении цены готовых нагревателей преждевременно. Лабораторные результаты показывают саму возможность заменить дорогие чистые порошки более доступным минеральным сырьём.
Испытания прошли при температуре 800 градусов
Полученные образцы продемонстрировали эффективную и стабильную работу при температуре 800 градусов Цельсия. Исследователи намерены повысить термостойкость композита до 1000-1200 градусов.
Следующим направлением станет нанесение на пористую поверхность катализаторов. В такой конструкции один элемент сможет одновременно нагревать проходящий поток и ускорять химические реакции.
Подобные решения могут применяться в системах очистки воздуха и промышленных газов, каталитических нейтрализаторах, а также в электрифицированных реакторах химических производств.
Сейчас разработка находится на исследовательской стадии. В официальных материалах не сообщается о начале серийного производства, стоимости готового изделия или сроках промышленного внедрения. Подтверждённый результат заключается в другом: учёные получили из природного сырья электропроводящий пористый композит и доказали его стабильную работу при высокой температуре.
Графическое сопровождение статьи создано с использованием технологий искусственного интеллекта.