Ученые Института физики имени Киренского Красноярского научного центр СО РАН разработали новую технологию получения алюминиево-борных сплавов. Исследователям удалось решить одну из ключевых проблем таких материалов — добиться равномерного распределения бора по всему объему алюминия. Результаты работы опубликованы в журнале Pramana – Journal of Physics.
Алюминиевые сплавы широко востребованы в промышленности благодаря сочетанию малого веса, прочности и термостойкости. Добавление бора позволяет еще больше повысить прочность материала и его устойчивость к коррозии, поэтому такие сплавы особенно ценятся в авиастроении, машиностроении, электронике и ряде специальных отраслей. Однако бор плохо смачивается алюминием и склонен образовывать микроскопления, что ухудшает свойства готового материала.
Новая технология основана на обработке алюминиевого расплава низкочастотной плазмой с добавлением порошка бора и фуллеренов — углеродных молекул сферической формы, напоминающих футбольный мяч. В плазменном потоке частицы бора измельчаются и легче проникают в расплав, а возникающие под действием температурных градиентов и магнитного поля потоки равномерно распределяют их по всему объему металла.
Фуллерены очистили путь для бора
Дополнительную роль сыграли фуллерены. Они помогли удалить оксидную пленку, которая постоянно образуется на поверхности алюминия и препятствует его взаимодействию с бором. В ходе процесса молекулы углерода восстанавливали алюминий, сами превращались в углекислый газ и покидали реакционную камеру, не оставляя загрязняющих примесей. Благодаря этому удалось получить сплав с максимально однородной структурой.
Исследователи отмечают, что плазменный подход отличается универсальностью: он позволяет точно дозировать вводимые элементы и контролировать их распределение в материале. При этом эксперименты показали, что с увеличением содержания бора твердость сплава несколько снижается. По мнению авторов работы, для многих технологических применений и производства лигатур это не является критичным ограничением. В дальнейшем ученые планируют подробнее изучить структуру материала и способы управления его свойствами через изменение параметров синтеза.
Интересные факты по теме
Бор способен улучшать не только механические свойства материалов. Исследования показывают, что обработка алюминия бором может снижать его электрическое сопротивление и соответственно повышать электропроводность и уменьшать нагрев токопроводящих элементов.
Плазменные технологии активно применяются для модификации поверхности алюминия. В ряде экспериментов плазма позволяла существенно уменьшать оксидный слой на алюминиевых частицах и ускорять их химическую активность.
Бор широко используется и в термоядерных исследованиях: его порошок вводят в плазму реакторов для улучшения состояния внутренних поверхностей установок и повышения эффективности работы оборудования.
Главными преимуществами метода являются простота его реализации и универсальность. Плазменный метод позволяет вводить любой элемент в любой материал. Он позволяет точно дозировать легирующий элемент при его введении в материал и контролировать его распределение по глубине и по поверхности материала, что обеспечивает равномерное распределение вводимого вещества. Нет проблем со сцеплением слоев, нет промежуточных загрязнений. Однако мы заметили, что с ростом содержания бора твердость сплава немного снижается. Для конструкций, где нужна максимальная прочность, это минус. Но для лигатур и многих технологических применений это не критично. В дальнейшем мы планируем детально изучить структуру сплава и понять, как можно управлять его свойствами, меняя параметры синтеза.Григорий Чурилов
Бор находит применение не только в промышленности, но и в ядерной медицине. Об особенностях бор-нейтронозахватной терапии рака мы рассказали здесь.