Исследователи из РТУ МИРЭА разработали метод получения пористого материала на основе титаната кальция с помощью холодного спекания — технологии, которая позволяет обходиться без высоких температур. Новый материал может стать основой для компактных накопителей энергии и других электронных устройств.
Традиционно керамику обжигают при температуре выше 1400 градусов, что требует больших энергозатрат. Холодное спекание — это альтернативный подход, при котором порошок уплотняется под давлением в присутствии специальной добавки, а температура не превышает 400 градусов. Главная сложность в том, что титанат кальция почти не растворяется в воде, поэтому подобрать активатор для него непросто. Учёные РТУ МИРЭА предложили использовать гидратированный сульфат магния — соль, которая содержит много кристаллизационной воды и хорошо растворяется.
В ходе работы исследователи синтезировали порошок титаната кальция, смешали его с добавкой в разных пропорциях и подвергли холодному спеканию при температурах от 300 до 400 градусов. Затем образцы изучили с помощью рентгенофазового анализа, электронной микроскопии и измерения диэлектрических характеристик. Оказалось, что добавка не только помогает уплотнить материал, но и формирует в нём развитую систему пор.
«Мы провели детальный анализ исходного порошка и проследили, как меняется структура материала на каждом этапе. Полученные данные позволили предложить механизм формирования пористости, который включает процессы растворения-осаждения и твердофазной диффузии. Это важно для дальнейшей оптимизации технологии», — рассказал Иван Акиньшин, младший научный сотрудник Лаборатории керамических материалов и технологий РТУ МИРЭА.
Результаты показали, что при содержании добавки от 5 до 10 процентов материал сохраняет стабильные диэлектрические свойства в широком диапазоне частот. Потери энергии при этом остаются низкими, а проницаемость — на уровне, подходящем для практического применения. Увеличение времени выдержки и дополнительный прогрев позволяют ещё больше улучшить эти показатели.
«Холодное спекание — это энергоэффективная технология, которая позволяет получать керамику при температурах в разы ниже традиционных. Нам удалось подобрать добавку, которая активирует процесс уплотнения и одновременно формирует пористую структуру. Это открывает путь к созданию материалов с управляемой плотностью и стабильными диэлектрическими свойствами», — отметил Андрей Смирнов, кандидат технических наук, заведующий Лабораторией керамических материалов и технологий РТУ МИРЭА.
Работа выполнена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030». Учёные уверены, что предложенный подход позволит создавать каркасные материалы для композиционных конденсаторов и других устройств, где важны пористость, лёгкость и стабильность характеристик. Статья была опубликована в научном журнале «Тонкие химические технологии».