等离子动态合成法生产用于工业应用的碳化物和碳氮化物

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来自俄罗斯斯科尔科沃理工学院、托木斯克理工大学以及俄罗斯和中国其他学术组织的一组研究人员采用等离子动态合成法，以纳米粉末的形式获得了高熵碳化物（钛、锆、铌、铪、钽与碳的化合物）和碳氮化物（由过渡金属的碳化物和氮化物形成的固溶体）。
新技术提供了一种简单而通用的方法来生产高熵材料，这些材料可用于防护涂层、核能、锂离子电池、催化剂和微电子。研究结果发表在《合金与化合物杂志》上。
高熵化合物的成分包括四种或更多种不同的元素——在这种情况下，是金属和碳。在这篇论文中，科学家使用了一种新技术，合成了钛、锆、铌、铪和钽的碳化物（TiZrNbHfTaС 5），以及由这些成分合成的碳氮化物。
作者指出，由于该物质具有较高的机械性能和温度稳定性，它是制造超高温陶瓷元件最合适的材料之一。然而，碳化物的合成很困难：它需要精心准备原料，并且需要在超高温（约 2,200-2,300°C）下长时间进行。
“多组分和高熵材料自最近以来一直在研究。我们模拟了具有不同氮和碳浓度的碳氮化物的各种结构，并研究了不同温度下的热力学稳定性。我们发现大量的氮会导致晶格产生强大的机械应力，这将对材料的稳定性产生负面影响，”研究主管、斯科尔科沃理工学院能源转型中心的亚历山大·克瓦什宁教授说。
为了合成碳化物和碳氮化物，研究小组采用了等离子体动态合成法。它利用电弧放电的高速等离子体射流作为高能等离子体化学合成反应的介质。电弧放电和随后的等离子体流是使用同轴磁等离子体加速器产生的。
“在本文中，我们重点介绍一种独特的科学装置——同轴磁等离子体加速器。在不到一毫秒的时间内，就会产生高速等离子体射流，从而提高温度、压力和结晶速率，这是制造独特纳米材料所必需的，”主要作者、托木斯克理工大学副教授德米特里·尼基丁 (Dmitry Nikitin) 说道。
“我们与 Skoltech 的同事一起，基于计算机辅助材料设计方法，成功地将 Ti、Zr、Nb、Hf、Ta、C 和 N 实验性地组合成单一结构。该方法不需要特殊的原材料制备。它具有能耗低、通用性强的特点，可以合成多种类型的材料：碳化物、氮化物、氧化物、碳纳米结构和基于它们的复合材料。”
采用等离子动态法合成高熵碳化物和碳氮化物可生产出高质量的单相粉末。该方法不仅能够高效生产出分散单晶形式的纯净高熵碳化物 TiZrNbHfTaС 5，而且能够确保将氮引入晶格，从而合成接近碳氮化物的结构。
通过在含氮气体氛围中使用无碳前体混合物，可以获得含氮量高达 8 wt% 的材料。