Создан высокоэффективный пористый нагревательный элемент из легкодоступного минерального сырья
Ученые Томского научного центра СО РАН (ТНЦ СО РАН), используя метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и доступное сырье — титановую руду ильменит и кварцевый песок — получили пористый электропроводящий металлокерамический композит. Способный работать при температуре до 800 °C. Этот материал, по мнению исследователей, может использоваться для изготовления нагревательных элементов тепловых устройств разного назначения.
Пористые нагревательные элементы отличаются от обычных большей эффективной площадью поверхности теплопередачи. Это позволяет передавать нужное количество тепла при более низкой рабочей температуре, продлевая срок службы системы и снижая потери энергии. Такие нагреватели используются в системах фильтрации воздуха, в каталитических нейтрализаторах, а также в электрифицированных реакторах, где нагрев совмещен с каталитической поверхностью для ускорения химических реакций.
«У нашего научного коллектива уже был накоплен значительный опыт создания методом СВС пористых фильтров и горелок. Мы заметили, что некоторые материалы обладают хорошей электропроводностью. Так и родилась идея — создать нагревательный элемент. Однако многие существующие нагреватели изготавливают из дорогих чистых порошков металлов, что делает их производство затратным. Цель нашего исследования как раз и состояла в поиске эффективного способа производства дешевых пористых материалов из легкодоступного сырья — ильменита и кварцевого песка с добавлением углерода для улучшения электропроводимости», – рассказал один из авторов исследования, научный сотрудник лаборатории технологического горения ТНЦ СО РАН, кандидат технических наук Рамиль Габбасов.
Прочный пористый каркас материала состоит из оксида алюминия, который не проводит ток, а внутри него равномерно распределены частицы электропроводящего соединения силицида титана и железа. Процесс получения композита протекал при температуре около 1850–1880 °C. Сначала образец словно укутывали одеялом, помещая внутрь одноразовой химической печки — оболочки, засыпанной таким же составом. При поджигании оба компонента сгорали вместе, обеспечивая одинаковую температуру и, следовательно, однородность протекания процесса синтеза по всему объему композита.
Регулируя состав смеси, ученые смогли контролировать электрическое сопротивление композита и варьировать его прочность. Сначала были проведены необходимые математические расчеты, которые потом подтвердились результатами экспериментов. Оптимальной оказалась концентрация кремния в 57 массовых процентов. В этом случае, отмечают авторы, материал получается однородным, его механическая прочность увеличивается в два раза, а электрические свойства сохраняют стабильность при высоких температурах.
Ученые выяснили, что добавление в состав смеси всего лишь 0,5–1,0 % углерода меняет микроструктуру пористого композита, улучшая электропроводность и дополнительно упрочняя материал. Как правило, при горении смеси частицы интерметаллидов стремятся слиться в крупные комки, однако углерод этому препятствует: частицы карбида титана, образуемые в процессе реакции, служат дополнительными центрами кристаллизации и не дают проводящим частицам укрупняться. В результате размер фазы силицида титана и железа уменьшается почти в три раза – с 4,1 до 1,3 мкм, создавая цепь для прохождения тока.
«Представьте две большие частицы, соединенные одним контактом, или же множество маленьких частиц, создающих множество точек соприкосновения. Уменьшение размеров частиц ведет к увеличению контактов между ними. Чем меньше частицы, тем больше контактов образуется, что позволяет не только создать цепь для прохождения тока, но также повысить прочность композита в три раза», — пояснил Рамиль Габбасов.
Проведенные испытания показали, что новые пористые композиты эффективно и стабильно работают при температуре 800 °C. В планах ученых — повышение термостойкости до 1000–1200°C и изучение возможностей нанесения на композиты катализаторов для ускорения химических реакций.
Источник: Пресс -служба Минобрнауки России