Ученые Томского политехнического университета разрабатывают первый отечественный метод промышленного получения прозрачной керамики, которую можно будет использовать при создании пуленепробиваемых и бронезащитных стекол военной и авиакосмической техники. Разработка ТПУ позволит уменьшить вес таких стекол в два-три раза и при этом повысить их баллистическую прочность.

Разработка ТПУ позволит достичь лучших характеристик пуленепробиваемых и бронезащитных стекол военной техники, иллюминаторов, защитных колпаков авиа- и космической техники.

«Прозрачная керамика может уменьшить вес пуленепробиваемых стекол в два-три раза. Сейчас их делают из многих стеклянных слоев. Они получаются достаточно толстыми и тяжелыми. Прозрачную керамику можно применить в качестве замены нескольких таких слоев, поскольку она гораздо прочнее стекла и не уступает ему по характеристикам прозрачности. В итоге повысится баллистическая прочность такого комбинированного стекла, оно станет легче, так как будет состоять из меньшего числа слоев, и при этом будет прочнее», — рассказывает заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологий ТПУ, директор Нано-Центра вуза Олег Хасанов.

Он отмечает, что прозрачная керамика важна сегодня для многих отраслей: оптотехники, сенсорики и сцинтилляционной техники, лазерной техники, может применяться как бронезащитый материал в комплексе со слоями пуленепробиваемых стекол.

Алексей Хасанов демонстрирует процесс спарк-плазменного спекания керамики

За рубежом подобные производства уже существуют. В России же, по словам ученых, на сегодняшний день нет промышленного производства такой комбинированной брони, состоящей из стекла и керамики. Одной из проблем в этом направлении является отсутствие отечественного промышленного производства высокочистых нанопорошков с необходимыми свойствами. И задача научного коллектива ТПУ — создать первую отечественную технологию промышленного получения прозрачной керамики.

«Речь идет как о развитии новых методов спекания нанопорошков керамики, так и методов формования изделий из нее — то есть получения изделий требуемых форм и размеров, — уточняет Олег Хасанов. — Мы согласовали развитие этой разработки совместно с Научно-исследовательским институтом технического стекла (АО «НИТС», Москва, входит в состав госкорпорации «Ростех»).

Также мы обсуждаем возможности применения этой технологии в НИИ полупроводниковых приборов и на других российских предприятиях».

Различные виды изделий из нанокерамики, в том числе и прозрачную керамику, ученые  ТПУ получают на установке спарк-плазменного спекания (СПС) порошковых материалов. Керамический порошок помещается в специальную пресс-форму — токопроводящую, способную выдерживать высокие температуры и давления прессования. Далее он нагревается импульсным током до необходимой температуры и одновременно прессуется. Поэтому спекание длится быстро. За несколько минут получается стопроцентно плотная прозрачная керамика.

«На экспериментальной установке мы получаем опытные изделия небольших размеров. Однако существуют и крупногабаритные, промышленные. Для них изготавливаются специальные пресс-формы нужных размеров и форм — в виде квадрата, шестигранника и т. д. Такие специальные пресс-формы тоже разработаны в ТПУ», — объясняет инженер кафедры наноматериалов и нанотехнологий ТПУ Алексей Хасанов.

Основное отличие технологий ТПУ от аналогов — применение сухих нанопорошков керамики, не содержащих в своем составе связок и пластификатов.

Благодаря отсутствию примесей, изделия из нанокерамики получаются качественнее. Также важны оптимальные технологические режимы прессования, температуры спекания и ряд других факторов. Только учтя их все, можно получить изделия требуемого качества.

«Плотность прозрачной керамики должна составлять 100 %. Если в материале пор больше, чем 10 штук на миллион зерен вокруг, керамика будет недостаточно прозрачной; причем размер таких пор не должен быть более 10 нанометров. Не должно быть никаких искажений на границах зерен. Только тогда свет будет проходить через нее без поглощения и рассеивания», — заключает Олег Хасанов.

Отметим, керамика используется сегодня в самых различных областях: электронной, радиотехнической, оборонной, нефтегазовой, атомной, аэрокосмической, автомобильной и многих других, а также в сферах электроэнергетики и медицины. Керамические материалы имеют уникальный комплекс эксплуатационных свойств: широкий температурный диапазон применения (от космического холода до температур плазмы в соплах ракетных двигателей), заданные прочностные и электрофизические свойства.

Справка:

На базе  ТПУ реализуется стратегическая академическая единица «Космическое материаловедение». Стратегическая академическая единица (САЕ) — это междисциплинарный институт, созданный для реализации научно-исследовательских, магистерских и аспирантских программ. Приоритетные направления САЕ «Космическое материаловедение» — проектирование материалов для создания легких и надежных конструкций ракетно-космической техники нового поколения; создание оборудования и технологий нанесения радиационно стойких покрытий элементов космических аппаратов; разработка технологий аддитивного «выращивания» функциональных изделий в условиях космоса.