Высокотемпературные оксидные минералы как возможные термобарьерные покрытия

Работа по теме гранта РФФИ "Высокотемпературные оксидные минералы как возможные термобарьерные покрытия"

Номер гранта: 18-29-12128
Сроки исполнения: 2018-2020
Руководитель: А.Р.Оганов
Ведущая организация: Сколковский институт науки и технологий
Сумма гранта: 3 млн. руб. в год
Участники от Музея - П.Ю.Плечов, Ю.Д.Гриценко

Аннотация проекта

Поиск новых керамик для термобарьерных покрытий (ТБП) газотурбинных лопаток является очень острой проблемой в связи с тем, что резервы дальнейшего улучшения эксплуатационных параметров наиболее используемого материала для этого – стабилизированного иттрием диоксида циркония (YSZ) - практически исчерпаны. Достигнутые для YSZ параметры диктуют весьма высокие требования к новым материалам для ТБП: (1) максимально низкую теплопроводность (порядка 1 Вт м-1K-1 и ниже); (2) высокую термостойкость (температура плавления не менее 2000 K, отсутствие разложения и фазовых превращений в рабочем температурном диапазоне), (3) высокую прочность, эрозионную и коррозионную стойкость, (4) коэффициент теплового расширения, близкий к таковому для материала лопатки (не менее 10–5 K-1), (5) низкую кислородную диффузию. Самым важным и сложным является критерий #1, учитывая чувствительность теплопроводности к химическому и изотопному составу, к структурному беспорядку и структурной сложности вообще, что обусловливает и сложность ее теоретического предсказания.

Наша гипотеза состоит в том, что в силу своих часто сложных химического состава и структуры, многие минералы будут обладать очень низкой теплопроводностью, и нужный материал можно найти среди высокотемпературных сложнооксидных минералов (это автоматически гарантирует стабильность при высоких температурах с достаточно сложной кристаллической структурой и высокой степенью изоморфной смесимости (эти два фактора благоприятны для низкой теплопроводности) и минимальной структурной анизотропией. Подобранные таким образом минералы будут изучаться с помощью квантово-механических расчетов теплопроводности и теплового расширения, а также экспериментального измерения этих свойств на природных образцах разных составов из коллекции Минералогического музея им. А.Е. Ферсмана. В результате этого поиска мы ожидаем найти материалы для ТБП, превосходящие по своим характеристикам YSZ. Наиболее многообещающие минералы и их синтетические аналоги, состав которых будет подобран на основе расчетов, затем будут синтезированы различными методами и испытаны в качестве термобарьерных покрытий.