Твердое пламя и синтез материалов21.12.2015 10:36

Физик Александр Мукасьян о безгазовом горении, получении карбида тантала и сферах применения твердого пламени

Давайте поговорим о таком, на мой взгляд, интересном, фундаментальном и необычном явлении, как твердое пламя. И звучит, в общем-то, необычно, потому что, когда кто-либо упоминает термин «пламя» или «горение», у вас сразу, наверное, перед глазами, скажем, костер либо приспособление, где вы готовите свое барбекю. То есть это явление, которое приносит вам тепло, свет. Свеча — отличный пример, когда свет является основным результатом процесса горения.

Если мы еще подумаем, то, наверное, придет на ум такое явление, как двигатель сгорания, где процесс горения приносит нам энергию. В ракете горение топлива тоже полезное явление, которое дает соответствующий импульс, для того чтобы ракета взлетела в космос. Заметьте, что все эти явления объединяют самоподдерживающие высокотемпературные реакции, экзотермические реакции. Почти всегда в обыденном понимании это газофазные реакции, где участвует, например, кислород. Мы зажгли спичку — классическая реакция горения, взаимодействие углерода с кислородом, возникновение газофазных продуктов (оксида углерода СО СО2).

Твердое пламя — это совсем другое понятие, потому что это горение абсолютно безгазовое. То есть никакие газофазные продукты ни на каком этапе не присутствуют. Это один момент, отличающий от классического горения. Во всех предыдущих примерах, которые я старался вам привести, на продукт горения практически внимания не обращают. Вы зажгли спичку, использовали ее, выкинули в соответствующее мусорное ведро. Сгорело ракетное топливо, выполнило свою работу, загрязнило среду, но тем не менее опять же на продукт горения никто внимания не обращает. В твердом пламени при своей уникальности с фундаментальной точки зрения на всех этапах процесса мы имеем абсолютно конденсированные или даже твердофазные реакции, основным объектом исследования являются как раз продукт горения.

Возьмем пример — объяснить, что это значит, лучше всего на примере. Самая классическая система твердого пламени — это система «тантал — углерод». Температура плавления тантала — 3000 градусов Цельсия, температура плавления углерода — 4000 градусов Цельсия. Заоблачные температуры. Если сравнивать с температурой на Солнце, то здесь мы можем предположить, что мы расплавим этим элементы. Расплавить эти элементы даже в современных печах невозможно.

Теперь рассмотрим смесь этих твердофазных реагентов. Если вы чуть-чуть знакомы с термодинамикой и знаете энтропию образования продукта, а продукт взаимодействия, возможно, карбид тантала (новое соединение — это киармет), вы можете посчитать, что реакция взаимодействия углерода с танталом, с этим металлом, действительно очень экзотермичная. И так называемая адиабатическая температура горения — максимальная температура, которую можно достичь в этой системе, если вам удастся сынициировать, конечно, реакцию, — порядка 2700 градусов Цельсия. Она тоже высока, 2700 градусов Цельсия — нет таких печей на сегодняшний день, которые могут достичь таких температур. Но если вы сравните температуры плавления реагентов, то она ниже этой температуры. Если вы посмотрите равновесную диаграмму состояния «тантал — углерод», вы тоже увидите, что все промежуточные или конечные продукты, которые только можно представить в этой системе (это опять же карбид тантала, в большинстве своем разные модификации карбида тантала), то все имеют температуру плавления выше 3000 градусов. Поэтому уже с термодинамической точки зрения вы понимаете, что если процесс взаимодействия тантала с углеродом удастся запустить, то будут достигнуты очень высокие температуры, но эти температуры будут ниже температуры плавления и исходных реагентов и всех возможных конечных и промежуточных продуктов этой системы.

Поэтому в этом случае их роднить будет с предыдущими примерами, когда мы говорили о реальном пламени, то, что реакция будет самоподдерживающейся. Что это значит? Что если вы смешаете эти два порошка, локально (я говорю о размерах порядка одного кубического миллиметра) прогреете и сынициируете эту среду, сынициируете реакцию между танталом и углеродом, высокая температура этой реакции прогреет следующий слой, и реакция продвинется на один шаг вперед. Следующий слой сынициирует реакцию в своем соседе и так далее. Реакция будет самораспространяться по среде, с температурой порядка 2700 градусов, при этом это будет самоподдерживающая реакция, реакция горения. Это будет безгазовое горение, абсолютно твердофазное горение.

Но, что самое интересное, в результате этого процесса вы получите уникальный продукт — карбид тантала. Это очень твердое соединение с температурой горения, как я сказал, порядка 3000 градусов, которое применяется для получения одних из самых прочных композиционных материалов, когда-либо сделанных человечеством. Вот пример твердого пламени, пример синергетического распространения самоподдерживающей реакции в твердофазной среде. И это твердое пламя широко применяется сейчас для синтеза уникальных материалов. Каких материалов? Классический пример я вам привел — это карбид тантала. Но на самом деле спектр материалов, которые можно этим методом получить, безграничен.

Если еще десять лет назад, когда мы говорили о возможности использования процессов безгазового горения для получения материалов, мы ограничивались где-то спектром от 1000 различных соединений, то сейчас мы приближаемся к уровню, в общем-то, волшебников. Идея достаточно простая: «Скажите, какой материал вам надо получить, и мы этим методом его получим». Давайте приведем какие-то чисто современные примеры, то, что на слуху. Не так давно прозвучало такое понятие, как графен. Это наноматериал, представляющий собой всего один атомный слой. Возник чисто спортивный интерес: можно ли процессами горения, такого твердофазного горения, процессами твердого пламени получить наноматериал, в частности получить графен? Понадобилось порядка одного года работы, для того чтобы достаточно чистый графен, с содержанием кислорода меньше одного процента, был получен в результате твердофазного горения. Поэтому даже был более принципиальный вопрос (вы знаете, что нанотехнологии сейчас, или другой термин «нано», тоже очень популярен): можно ли, используя процессы, где характерны температуры 2000, 3000, 4000 градусов, получать нанопродукт? Потому что высокие температуры обычно приводят к быстрому росту зерна, к быстрому росту размера частиц. Было непонятно, можно ли это сделать в результате процесса такого твердофазного или вообще процессов горения.

Через три года от начала исследований мы можем говорить, что практически все нанопродукты, которые получают обычными методами, низкотемпературными методами, можно получить с помощью твердого пламени, с помощью процессов горения. При этом надо отметить, что последние два года, 2014–2015 годы, по экспоненте, если судить по публикациям, растет интерес к этому явлению. И это связано с тем, что сейчас научились применять явление самораспространения реакции горения в задаче получения материалов для растворов. Если вы помните такой стишок: «А лисички взяли спички, к морю синему пошли, море синее зажгли». Оказалось, что такие реакции, но уже не твердофазные, а, как вы понимаете, исходные компоненты — это жидкофазные реакционные смеси, которые в результате горения приводят к получению твердофазного продукта, можно тоже осуществлять, и это вызвало огромный, бурный интерес всей мировой общественности. Количество публикаций в год сейчас зашкалило выше двух-трех тысяч.

Поэтому мы переживаем свою молодость с этой точки зрения, вторую молодость, потому что мне хотелось в конце все-таки упомянуть, что это явление, хотя исторически, может даже относиться к работам Бекетова (конец XIX века) или к работам Гольдшмидта (это начало ХХ века), но основное рождение процесс твердого пламени, или есть другое название — самовоспроизводящийся высокотемпературный синтез (СВС), — получил во второй половине ХХ века в результате работы советских ученых, в частности академика Александра Григорьевича Мержанова, моего учителя, который скончался в 2013 году. И эти работы в достаточно узком коллективе, в Черноголовке Московской области, разрослись до такого значительного явления в области материаловедения. На сегодняшний день в 99 странах мира, на всех континентах, кроме Антарктиды, это явление используется для синтеза практически любых материалов. И как только индустриальное производство, как только рынок начнет считать энергию как значительную составную часть цены на любой материал, я думаю, мгновенно в этом случае этот метод получит очень широкое и индустриальное применение.

Александр Мукасьян