Учёные Сколтеха совместно с коллегами из Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН и других организаций разработали новую керамику на основе двойного перовскита Ba₂YNbO₆. Материал способен сохранять стабильность при температурах выше 2000 °C и может стать идеальным верхним слоем теплозащитных покрытий для самых горячих деталей авиационных двигателей и газовых турбин электростанций. Об этом сообщили в пресс-службе Сколтеха.

Почему старые покрытия уже не справляются

Современные турбины и реактивные двигатели работают на пределе: температура газов в камере сгорания и на лопатках турбины давно превышает 1200–1300 °C. Чтобы защитить металлические детали от разрушения, на них наносят теплобарьерные покрытия — чаще всего стабилизированный иттрием диоксид циркония (YSZ). Но при сильном перегреве эти покрытия постепенно деградируют: фазовые переходы, спекание, отслоение — всё это сокращает ресурс двигателя.

Нужны материалы с ещё более высокой температурной стойкостью, низкой теплопроводностью и подходящим коэффициентом теплового расширения, чтобы покрытие не отслаивалось от металла при нагреве и охлаждении.

Как нашли и проверили новый материал

Исследователи применили комплексный подход: сначала суперкомпьютерное моделирование, затем синтез и испытания.

С помощью методов машинного обучения (нейросетевые потенциалы межатомного взаимодействия) и неравновесной молекулярной динамики на суперкомпьютерах Сколтеха была смоделирована кристаллическая решётка Ba₂YNbO₆ при экстремальных температурах. Учёные заранее рассчитали ключевые свойства:

  • теплопроводность,
  • коэффициент теплового расширения,
  • термическую стабильность.

После этого в Новосибирске синтезировали порошок методом твёрдофазных реакций при температурах до 1500 °C. Плотные керамические образцы получили с помощью искрового плазменного спекания — современной технологии, позволяющей создавать почти беспористый материал.

Испытания подтвердили расчёты: образцы не плавились даже при нагреве почти до 2000 °C. При 1000 °C теплопроводность составила всего около 1,9 Вт/(м·К) — ниже, чем у лучших современных покрытий на основе YSZ. Это значит, что новая керамика гораздо эффективнее экранирует тепло от металлической основы.

«Благодаря современным вычислительным методам, включая потенциалы межатомного взаимодействия на основе машинного обучения и неравновесную молекулярную динамику, мы смогли с высокой точностью предсказать свойства Ba₂YNbO₆ при различных температурах», — рассказал один из ведущих авторов исследования Маджид Зераати.

Теоретические предсказания практически полностью совпали с экспериментом.

Прорыв в материалах будущего

Руководитель работы, профессор Артём Оганов, подчеркнул роль новых технологий:

«Использование нейросетевых потенциалов и графических ускорителей позволило смоделировать систему из 20 тысяч атомов и проследить её поведение на наносекундных временных интервалах. Теперь мы можем не просто объяснять свойства уже известных материалов, а уверенно предсказывать новые соединения для сложных инженерных задач».

Новая керамика открывает путь к двигателям следующего поколения: с более высокой рабочей температурой, повышенным КПД, меньшим расходом топлива и увеличенным ресурсом. Это особенно важно для авиации (снижение выбросов CO₂) и энергетики (более эффективные газотурбинные установки).

Вкратце

Учёные Сколтеха и ИНХ СО РАН создали керамику Ba₂YNbO₆ на основе двойного перовскита, выдерживающую >2000 °C без плавления. Теплопроводность при 1000 °C — всего 1,9 Вт/(м·К), что лучше современных покрытий. Материал получен благодаря комбинации машинного обучения, молекулярной динамики и искрового плазменного спекания. Расчёты и эксперименты совпали почти идеально. Керамика может радикально повысить ресурс и эффективность авиационных двигателей и газовых турбин.