АВТОР: Мария савельева
РЕЦЕПТ ВЫПЕЧКИ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА
О материале, который может составить
конкуренцию алмазу
Герой: Евгений Андреевич Ланцев
Физический факультет
Что если бы кто-то сказал, что можно изготовить один из самых твердых материалов на Земле в печи? В лаборатории Научно-исследовательского физико-технического института (НИФТИ) ННГУ им. Н.И. Лобачевского есть установка, принцип работы которой очень похож на домашнюю духовку. Хотя духовке до неё очень далеко и по размерам, и по температуре.
Это печь для электроимпульсного плазменного спекания порошков, которая позволяет получать твердые материалы из керамических или металлических порошков. Сама технология придумана еще в Советском Союзе, но была успешно реализована в Японии.
Это печь для электроимпульсного плазменного спекания порошков, которая позволяет получать твердые материалы из керамических или металлических порошков. Сама технология придумана еще в Советском Союзе, но была успешно реализована в Японии.
Научная деятельность Евгения Ланцева — аспиранта 3 года кафедры физического материаловедения физического факультета ННГУ им. Н.И. Лобачевского и инженера НИФТИ— тесно связана с карбидом вольфрама и твердыми сплавами (химические соединения карбида вольфрама с какой-либо металлической связкой, в основном с кобальтом).
Карбид вольфрама представляет собой неорганическое химическое соединение, состоящее из равных частей атомов вольфрама и углерода. Окисленный вольфрам (WO₃), который берется из недр Земли, и углерод соединяются при высокой температуре, и получается порошок карбида вольфрама, похожий на черную муку. Сам по себе вольфрам - это один металлов с наиболее высокой плотностью (19,3 г/см³).
Порошок карбида вольфрама предоставляют московские коллеги из Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН.
“
Можно купить немецкие порошки и попытаться что-то получить на их основе. И, скорее всего, все получится — методика получения этих порошков уже отлажена. Но работать с отечественными материалами гораздо интереснее.
Частички, составляющие порошок, могут быть разного размера – нанометровые (равные одной миллиардной части метра) или микронные (равные одной миллионной части метра).
“
Сейчас все в мире гонятся за наноразмерами частичек, так как чем меньше частица, тем выше прочностные характеристики готового изделия. Это как батон. Если его разрезать пополам, то у него появятся дополнительные поверхности. Каждая свободная поверхность увеличивает прочность и твердость материала. Ведь каждая граница является стопором для его пластической деформации.
Выпекать при температуре 2000°C
Порошок карбида вольфрама засыпается в графитовую пресс-форму, через которую пропускаются импульсы постоянного электрического тока. Происходит нагрев порошка. При нагреве частички начинают взаимодействовать друг с другом, возникает взаимная диффузия, и из отдельных частичек получается монолитные поликристаллы, которые невозможно разломать.
 |  |
Графитовые пресс-формыᅠ ᅠ ᅠ ᅠ ᅠ ᅠ ᅠ ᅠ ᅠ ᅠ Порошок карбида вольфрама
С помощью пирометра ученые измеряют температуру порошка и контролируют готовность изделия. Образец получился хорошо, когда его плотность равняется стопроцентной от абсолютной плотности - у карбида вольфрама она составляет 15,77 г/см3.
Плюс данной установки для электроплазменного спекания - в скорости нагрева материалов - до 2000°C в минуту.
“
Чем быстрее мы спечем материал, тем лучше получится запечатать структуру, которая была в начале.
Температура спекания карбида вольфрама зависит от размера зерна - минимум это 1500°C, а максимум - 2000°C градусов. Время спекания небольшого лабораторного образца составляет 10 - 15 минут.
Установка для электроимпульсного плазменного спекания порошковых материалов
Ученым необходимо получить наноразмерный материал для того, чтобы были высокие физико-механические свойства. Причем повышается не только прочность, но и другие характеристики, например, теплопередача и электросопротивление. Карбид вольфрама — это очень твердый материал, тверже которого может быть алмаз.
“
Если мы будем получать очень твердые материалы, как карбид вольфрама, то ими можно поцарапать все на свете, деформировать любой другой материал.
В первую очередь карбид вольфрама используется в качестве режущих инструментов - токарные станки, которые вырезают из больших болванок различные изделия на заводах. Например, крыло для машины, так как обычным ножом невозможно разрезать металл.
Перед подачей поэкспериментируйте с добавками
Карбид вольфрама в целом давно изучен, и вся Европа уже давно активно использует этот материал. В мире сейчас есть один монополист - шведская компания Sandvik, которая занимается изготовлением режущих инструментов и их распространением во всем мире. Российские заводы и предприятия в большинстве своем используют устройства именно этой компании, потому что нет конкурентоспособного отечественного режущего инструмента.
“
Нельзя просто взять и спечь карбид вольфрама. Существует множество различных добавок, которые можно добавить в материал и улучшить его физико-механические характеристики. Это как чай. Можно выпить просто чай, а можно добавить сахар и немного мелиссы, но, главное, не переборщить.
Добавки могут быть разные, каждая из которых будет оказывать определенное воздействие на материал. Можно добавить в соединение карбида вольфрама и кобальта другие карбиды, например, карбиды тяжелых металлов — карбид титана или карбид ванадия и др. Кроме того, возможно добавить оксиды — оксид алюминия или циркония. Благодаря таким экспериментам в конечном итоге может получиться материал с высокой трещиностойкостью, который удивит всех.
Простой пример – керамическая посуда. Она очень прочная, керамический нож не надо никогда точить, но он может легко разбиться, если его уронить – у него низкая трещиностойкость.
Сам по себе карбид вольфрама – хрупкий материал.
Твердосплавный режущий инструмент WС-Co (карбид вольфрама и кобальт)
“
Просто получить его с высокой твердостью недостаточно, чтобы составить конкуренцию шведскому предприятию. Скорее всего, у зарубежных коллег будет карбид вольфрама лучше, так как он уже используется на конвейере. Необходимо, чтобы за меньшие деньги было больше качественного материала. Моя задача заключается в том, чтобы найти такие материалы, которые можно добавить в карбид вольфрама, либо в твердые сплавы, чтобы добиться этих выгодных условий.
Готово! Не забудьте все записать
Аспиранты и ученые до 35 лет, осуществляющие перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, имеют возможность получать стипендию Президента РФ.
В 2018 году Евгений Ланцев поступил в аспирантуру, и к этому времени у него уже было накоплено некоторое число статей и тезисов, что позволило ему подать заявку на стипендию и стать одним из победителей.
В 2018 году Евгений Ланцев поступил в аспирантуру, и к этому времени у него уже было накоплено некоторое число статей и тезисов, что позволило ему подать заявку на стипендию и стать одним из победителей.
"Как устроено научное сообщество? У вас есть коллектив, который работает над определенной темой. По окончанию исследований у вас может получиться что-то, а может и не получиться. В основном – второе. Но при любом исходе пишется научная статья, потому что именно так и работает наука. Одной и той же темой могут заниматься несколько научных коллективов по всему миру.
"Прогресс науки, вся ее магия и секрет заключаются в общедоступности.
“
Можно открыть интернет и прочитать, что сделала группа ученых на другом конце света, подумать, где же они были не правы, понять, что нужно повторить эксперимент, но немного по-другому. Поэтому даже неудачные эксперименты нужно публиковать, главное, чтобы задумки были правильные.
Кроме научных статей в заявке необходимо указать проблематику – получение ультрамелкозернистых твердых сплавов на основе карбида вольфрама.
“
Самое главное в заявке описать план действий, чтобы победить поставленную проблему. Но на самом деле ты уже победил, просто никто этого еще не знает.
Также Евгений стал победителем конкурса РФФИ на лучшие проекты фундаментальных научных исследований, выполняемые молодыми учеными, обучающимися в аспирантуре. Конкурс направлен непосредственно на аспирантов и их научных руководителей.
Суть конкурса заключается в том, что аспиранты второго года обучения подают заявку и к концу обучения, через 2 года, должны получить кандидатскую степень. Евгений Ланцев работает над этим грантом вместе с доктором физико-математических наук, профессором, заведующим лабораторией НИФТИ Нохриным Алексеем Владимировичем.
Зачем делиться своим рецептом со всеми?
Дважды Евгений Ланцев принял участие в научно-популярном мероприятии Science Slam, и даже стал его победителем в 2019 году. Science Slam – это битва учёных, где они рассказывают доступно и интересно о главных научных достижениях и своих исследованиях за 10 минут.
“
Было интересно, как устроено само мероприятие. Не помню, как я попал туда впервые. У меня не было такого, что в какой-то момент я понял, что хочу транслировать науку. Вообще это отличная возможность, ведь это выгодно всем. Возможно, кого-то из любознательных слушателей заинтересует тот или иной научный вопрос, и этот человек решит заниматься новой для него темой.
"Но в первую очередь, я думаю, что это полезно для детей. Ведь если дети с самого раннего возраста будут понимать, что мир вообще очень интересно устроен и есть очень много самых разных сфер научной деятельности, можно придумать себе много вызовов и много вопросов.
“
А если ты любознательный к этому миру и задаешь очень много вопросов - сформируется определенная картинка в голове, и, возможно, вырастет новый гений.
Видео с Science slam
“
Мы все физики ходим тут по корпусу и разговариваем на своем языке, у нас свои термины, мы друг друга понимаем. Но когда другой человек, далекий от нашей сферы деятельности, задает вопрос, ты понимаешь, что не можешь элементарно объяснить, чем ты занимаешься. Если говорить о своей теме 3 или 4 часа, конечно, можно рассказать все и даже больше. Но гораздо сложнее рассказать емко и доступно за 10 или 15 минут. Чтобы справиться с этой задачей, нужно быть максимально погруженным в материал, разобрать все на атомы, каждый вопрос, предложение и термин, чтобы это было понятно обывателю.
"Это потом помогает четко формулировать, что ты хочешь сам от своей научной деятельности, действительно ли ты занимаешься тем, может, нужно переформулировать задачу, переформатировать работу или посмотреть на нее с другой стороны.
“
Для докладов на Science Slam есть две стратегии: первая - это рассказать про базовые вещи простым языком, а вторая - конкретно про свою работу. Я выбрал первую. Когда я сформулировал тезисы для выступления, я понял, что в каких-то вещах я теряюсь и нужно повторить материал. Ведь сейчас мой день не строится из бесконечного числа уравнений, а больше из каких-то бытовых задач и трудностей. Сейчас только в самом конце эксперимента, выполнив все рутинные этапы и имея на руках результаты, ты их обобщаешь, делаешь выводы и тогда уже есть возможность подумать о науке. Но хорошо бы было, чтобы наоборот - 95 процентов времени - наука, а 5 процентов – рутинные задачи.
"Я мало занимаюсь популяризацией и не могу сказать, что сложнее - рассказывать про науку или заниматься ею. Думаю, что сложнее в данный момент заниматься наукой. Но, на самом деле, сложностей мало, главное - желание с ними справиться. Можно легко все комбинировать: и науку, и популяризацию - главное находить время, а время можно найти только если есть желание.
