Исследователи из Харбинского университета науки и технологии разработали новый класс керамических материалов на основе карбида циркония (ZrC), способных сохранять механическую прочность при температурах до 1800°C. Материал предназначен для применения в ядерной энергетике и авиации — в конструкциях, работающих в условиях экстремальных температурных и механических нагрузок.
Карбид циркония традиционно считается перспективным высокотемпературным материалом благодаря высокой температуре плавления. Однако его практическое использование ограничивали сложность спекания и склонность к хрупкому разрушению. Команда под руководством Боксина Вэя и Юйцзиня Вана применила двухэтапный процесс искрового плазменного спекания, который позволил преодолеть эти ограничения.
На первом этапе, при 1600°C, в керамической матрице протекает химическая реакция между компонентами TiSi₂ и B₄C. В результате внутри материала формируются мелкодисперсные упрочняющие частицы, которые в дальнейшем препятствуют росту зерен. На втором этапе температура повышается до 1800°C для окончательного уплотнения материала. Такая последовательность термических режимов позволила получить керамику с размером зерен менее 500 нм, что критически важно для сохранения механических свойств.
Новый материал продемонстрировал прочность на изгиб 824 ± 46 МПа и трещиностойкость 7,5 ± 0,5 МПа·м¹/². Эти показатели существенно превосходят характеристики, которых удавалось достичь ранее для карбидной керамики. По словам авторов, предложенный подход позволяет одновременно решить задачи спекания и повышения вязкости разрушения за счет тщательного контроля последовательности химических реакций и температурных режимов.
Разработка открывает путь к практическому внедрению карбидной керамики в ядерных реакторах, где требуется стойкость к нейтронному облучению и высоким температурам, а также в гиперзвуковой авиации, где элементы конструкции подвергаются аэродинамическому нагреву и механическим нагрузкам на скоростях свыше пяти Махов.