Група учени от NUST MISIS разработиха керамичен материал с най-високата точка на топене сред известните в момента съединения. Благодарение на уникалната комбинация от физични, механични и термични свойства, материалът е обещаващ за използване в най-топлинно натоварените компоненти на самолети, като носови обтекатели, реактивни двигатели и остри предни ръбове на крила, работещи при температури над 2000 градуса C. Резултатите са публикувани в Ceramics International.

Много водещи космически агенции (НАСА, ЕКА, както и агенции на Япония,Китайи Индия) активно разработват космически самолети за многократна употреба, което значително ще намали разходите за доставка на хора и товари до орбита, както и ще намали интервалите от време между полетите.

„В момента са постигнати значителни резултати в разработването на такива устройства. Например, намаляването на радиуса на заобляне на острите предни ръбове на крилата до няколко сантиметра води до значително увеличаване на повдигането и маневреността, както и намаляване на аеродинамичното съпротивление. Въпреки това, при излизане от атмосферата и повторно навлизане в нея, на повърхността на крилата на космическия самолет могат да се наблюдават температури от около 2000 градуса C, достигащи 4000 градуса C на самия ръб. Следователно, когато става въпрос за такива самолети, има въпрос, свързан със създаването и разработването на нови материали, които могат да работят при толкова високи температури“, казва Дмитрий Московских, ръководител на Центъра за строителни керамични материали на NUST MISIS.

По време на последните разработки целта на учените е била да създадат материал с най-висока точка на топене и високи механични свойства. Тройната система хафний-въглерод-азот, хафниев карбонитрид (Hf-CN), беше избрана, тъй като учени от университета Браун (САЩ) по-рано прогнозираха, че хафниевият карбонитрид ще има висока топлопроводимост и устойчивост на окисление, както и най-висока топимост точка сред всички известни съединения (приблизително 4200 градуса C).

Използвайки метода на саморазпространяващ се високотемпературен синтез, учените от NUSTMISIS получиха HfC0.5N0.35 (хафниев карбонитрид), близък до теоретичния състав, с висока твърдост от 21,3 GPa, което е дори по-високо, отколкото в новите обещаващи материали, като ZrB2/SiC (20,9 GPa) и HfB2/SiC/TaSi2 (18,1 GPa).

„Трудно е да се измери точката на топене на материал, когато надвишава 4000 градуса С. Затова решихме да сравним температурите на топене на синтезираното съединение и оригиналния шампион, хафниевия карбид. За да направим това, ние поставихме компресирани HFC и HfCN проби върху графитна плоча, оформена като дъмбел, и покрихме горната част с подобна плоча, за да избегнем загуба на топлина“, казва Вероника Буйневич, аспирант на NUST MISIS.

След това го свързаха с батериямолибденови електроди. Всички тестове са извършени в дълбокавакуум. Тъй като напречното сечение на графитните плочи е различно, максималната температура се достига в най-тясната част. Резултатите от едновременното нагряване на новия материал, карбонитрид и хафниев карбид, показват, че карбонитридът има по-висока точка на топене от хафниевия карбид.

В момента обаче специфичната точка на топене на новия материал е над 4000 градуса по Целзий и не може да бъде определена точно в лабораторията. В бъдеще екипът планира да проведе експерименти за измерване на температурата на топене чрез високотемпературна пирометрия с помощта на лазер или електрическо съпротивление. Те също така планират да проучат работата на получения хафниев карбонитрид в хиперзвукови условия, което ще бъде от значение за по-нататъшно приложение в космическата индустрия.