Eine Gruppe von Wissenschaftlern von NUST MISIS entwickelte ein Keramikmaterial mit dem höchsten Schmelzpunkt aller derzeit bekannten Verbindungen. Aufgrund der einzigartigen Kombination physikalischer, mechanischer und thermischer Eigenschaften ist das Material vielversprechend für den Einsatz in den am stärksten hitzebelasteten Komponenten von Flugzeugen, wie z. B. Bugverkleidungen, Düsentriebwerken und scharfen Vorderkanten von Flügeln, die bei Temperaturen über 2000 Grad C betrieben werden. Die Ergebnisse werden in Ceramics International veröffentlicht.

Viele führende Raumfahrtagenturen (NASA, ESA sowie Agenturen Japans,Chinaund Indien) entwickeln aktiv wiederverwendbare Raumflugzeuge, die die Kosten für die Beförderung von Menschen und Fracht in den Orbit sowie die Zeitintervalle zwischen den Flügen erheblich senken werden.

„Derzeit wurden bei der Entwicklung solcher Geräte bedeutende Ergebnisse erzielt. Beispielsweise führt die Reduzierung des Abrundungsradius der scharfen Vorderkanten der Flügel auf wenige Zentimeter zu einer deutlichen Steigerung des Auftriebs und der Manövrierfähigkeit sowie zu einer Verringerung des Luftwiderstands. Beim Austritt aus der Atmosphäre und beim Wiedereintritt in die Atmosphäre sind jedoch auf der Oberfläche der Flügel des Raumflugzeugs Temperaturen von etwa 2000 Grad Celsius zu beobachten, die am äußersten Rand 4000 Grad Celsius erreichen. Wenn es um solche Flugzeuge geht, stellt sich daher die Frage der Schaffung und Entwicklung neuer Materialien, die bei solch hohen Temperaturen funktionieren können“, sagt Dmitry Moskovskikh, Leiter des NUST MISIS-Zentrums für Baukeramikmaterialien.

Bei den jüngsten Entwicklungen war es das Ziel der Wissenschaftler, ein Material mit höchstem Schmelzpunkt und hohen mechanischen Eigenschaften zu schaffen. Die Wahl fiel auf das dreifache Hafnium-Kohlenstoff-Stickstoff-System Hafniumcarbonitrid (Hf-CN), da Wissenschaftler der Brown University (USA) zuvor vorhergesagt hatten, dass Hafniumcarbonitrid eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Oxidationsbeständigkeit sowie den höchsten Schmelzpunkt aufweisen würde Punkt unter allen bekannten Verbindungen (ca. 4200 Grad C).

Mit der Methode der sich selbst ausbreitenden Hochtemperatursynthese erhielten die NUSTMISIS-Wissenschaftler HfC0,5N0,35 (Hafniumcarbonitrid) nahe der theoretischen Zusammensetzung mit einer hohen Härte von 21,3 GPa, was sogar höher ist als bei neuen vielversprechenden Materialien. wie ZrB2/SiC (20,9 GPa) und HfB2/SiC/TaSi2 (18,1 GPa).

„Es ist schwierig, den Schmelzpunkt eines Materials zu messen, wenn die Temperatur über 4000 Grad Celsius liegt. Deshalb haben wir uns entschieden, die Schmelztemperaturen der synthetisierten Verbindung und des ursprünglichen Champions, Hafniumcarbid, zu vergleichen. Dazu legten wir komprimierte HFC- und HfCN-Proben auf eine hantelförmige Graphitplatte und bedeckten die Oberseite mit einer ähnlichen Platte, um Wärmeverluste zu vermeiden“, sagt Veronika Buinevich, Postgraduiertenstudentin bei NUST MISIS.

Als nächstes schlossen sie es an eine Batterie anMolybdän-Elektroden. Alle Tests wurden im Tiefgang durchgeführtVakuum. Da der Querschnitt der Graphitplatten unterschiedlich ist, wurde die maximale Temperatur an der engsten Stelle erreicht. Die Ergebnisse der gleichzeitigen Erwärmung des neuen Materials Carbonitrid und Hafniumcarbid zeigten, dass das Carbonitrid einen höheren Schmelzpunkt als Hafniumcarbid hat.

Allerdings liegt der spezifische Schmelzpunkt des neuen Materials derzeit über 4000 Grad Celsius und konnte im Labor nicht genau bestimmt werden. Zukünftig plant das Team Experimente zur Messung der Schmelztemperatur mittels Hochtemperaturpyrometrie mittels Laser oder elektrischem Widerstand. Sie planen außerdem, die Leistung des resultierenden Hafniumcarbonitrids unter Hyperschallbedingungen zu untersuchen, was für weitere Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie relevant sein wird.