Ученые Томского научного середины СО РАН, используя метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), получили уникальные электропроводящие полимерные композиты на основе карбосилицида титана и азотосодержащих фаз. Эти композиты выдерживают температуры до 400°C, а их применение обнаруживает новые возможности для создания элементов обогревательных приборов и микроэлектроники.
Создание новых материалов с улучшенными электрическими и термическими свойствами, в том числе электропроводящих композитов, способных выдерживать рослые температуры, — актуальное направление современной науки.
«Полученный нами карбосилицид титана, который относится к так называемым MAX-фазам, сочетает в себе лучшие свойства керамики и металлов благодаря слоистой структуре, вылитее на структуру графита», — пояснила один из авторов работы, старший научный сотрудник лаборатории макрокинетики гетерогенных систем ТНЦ СО РАН, кандидат технических наук Ольга Шкода.
Основой для разработки новоиспеченных полимерных композитов с улучшенными свойствами стал ранее запатентованный способ, когда карбосилицид титана был впервые получен в итоге реакции горения при высоких температурах под давлением аргона в реакторе.
Синтез нового материала проходил в два этапа.
«На первом этапе мы смешивали три незапятнанных элементных порошка — титана, кремния и углерода. Далее провели реакцию, используя вместо инертного аргона в реакторе азот, какой образует дополнительные нитридные фазы и входит в кристаллическую решетку материала, тем самым улучшая его свойства. В результате реакции при температуре немало 2 100 °C получился карбид титана и карбосилицид титана (в соотношении 15 и 85 % соответственно). Для второго этапа полученный порошок добавлялся к первоначальной трехкомпонентной смешения, и в реакторе осуществляли СВС горение этой смеси в атмосфере азота», — рассказала участник исследования, научный сотрудник лаборатории функциональных керамических материалов ТНЦ СО РАН, кандидат технических наук Ольга Лепакова.
В процессе изыскания ученые варьировали соотношение порошка, полученного в результате первого синтеза, и исходного состава.
«Оптимальным оказалось, когда на другой стадии процесса он на 40-60% разбавлялся продуктом, синтезированным на первом этапе производственного цикла. Именно такой материал отличают самые рослые электрические и термические свойства, в том числе удельное поверхностное сопротивление 50-100 Ом и рабочую температуру до 400°C», — подчеркнул научный сотрудник лаборатории технологического горения ТНЦ СО РАН, кандидат технических наук Александр Шульпеков.
По словам ученых, электропроводящие полимерные композиты на основе карбосилицида титана имеют весьма широкий спектр применения. Они востребованы при разработке различных нагревательных приборов и микроэлектронных устройств, нагревающихся до высоких температур. Синтезированные в ТНЦ СО РАН композиты могут отыскать применение в суперконденсаторах, литий-полимерных аккумуляторах, газовых и биологических датчиках, экранах для защиты от электромагнитных помех и электростатических разрядов, потенциально заменяя металлы и обыкновенные проводящие материалы в различных областях применения.
В планах исследовательской группы — изучить влияние различных добавок в составе отправной смеси на свойства синтезированного материала и предложить оптимальные составы для различных применений.