Ученые НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения имени А. Г. Мержанова РАН разработали технологию, которая позволит отказаться от использования токсичного порошка бериллия в производстве бронзы для применения в устройствах микроэлектроники и высокоточной сенсорики, таких как датчики движения и вибрации.

Статья опубликована в журнале Journal of Alloys and Compounds. На сегодняшний день для изготовления проводящих контактов в микроэлектронике и высокоточной сенсорике широко применяется бериллиевая бронза (сплав медь-бериллий). Медь обладает отличной электропроводностью, а добавка бериллия повышает пластичность материала, он становится более ковким и устойчивым к износу.

Однако порошок бериллия токсичен в производстве – при вдыхании он может вызывать отравление и хронические болезни. В качестве альтернативы используют титановую бронзу (сплав медь-титан) – этот сплав не токсичен, также износоустойчив, но имеет низкую электропроводность.

Коллектив ученых НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения имени А. Г. Мержанова РАН предложили способ повышения электропроводности титановой бронзы при сохранении ее высоких механических свойств.

«Медно-титановые бронзы даже прочнее бериллиевых. Эта прочность обусловлена старением пересыщенного твердого раствора титана в меди. Но остаточный титан, растворенный в медной матрице, существенно снижает электрическую проводимость материала. Поэтому нашей задачей было исключить титан из медной матрицы, сохранив при этом механические свойства материала. Мы знали, что многие научные коллективы пытались добиться такого эффекта, обжигая сплав в атмосфере водорода. Однако проводимость была все равно недостаточно высокой», – рассказывает автор работы, инженер научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза НИТУ «МИСиС» Степан Воротыло.

Композитные частицы в смеси 10%CuTiH2 после 10 минут кручения в планетарной мельнице (а); мелкие частицы TiH2, «вросшие» в медь (b) / ©Journal of Alloys and Compounds / Пресс-служба НИТУ «МИСиС»

На этот раз ученые пошли другим путем: они добавляли водород сразу, а не в процессе отжига. В планетарной мельнице вводили в порошок меди частицы гидрида титана TiH₂. Далее проводилось горячее прессование смеси, при котором происходило разложение TiH₂ на титан и водород с образованием упрочняющих керамических наночастиц медно-титанового оксида Cu₃Ti₃O.

Структура материала. Сканирующая электронная микроскопия (а); просвечивающая электронная микроскопия с высоким разрешением (b); структура после Фурье-обработки изображения © / ©Journal of Alloys and Compounds / Пресс-служба НИТУ «МИСиС»

В результате получился материал с довольно высоким уровнем прочности (920 МПа; в два раза выше, чем у нержавеющей стали; в 1,5 раза выше, чем у алюминиевой бронзы) и электропроводности (42% от электропроводности чистой меди). Для сравнения, в работах других коллективов результат не превышал 30%.

Кроме того, благодаря низкой теплопроводности разработанный материал особенно перспективен для использования в термоэлектрических приборах и установках, таких как холодильные элементы и высокотемпературные солнечные концентраторы (солнечные башни).