Μια ομάδα επιστημόνων από το NUST MISIS ανέπτυξε ένα κεραμικό υλικό με το υψηλότερο σημείο τήξης μεταξύ των γνωστών επί του παρόντος ενώσεων. Λόγω του μοναδικού συνδυασμού φυσικών, μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων, το υλικό είναι πολλά υποσχόμενο για χρήση στα πιο θερμικά φορτισμένα εξαρτήματα του αεροσκάφους, όπως φέρινγκ μύτης, κινητήρες τζετ και αιχμηρά μπροστινά άκρα φτερών που λειτουργούν σε θερμοκρασίες πάνω από 2000 βαθμούς Κελσίου. Τα αποτελέσματα δημοσιεύονται στο Ceramics International.

Πολλές κορυφαίες διαστημικές υπηρεσίες (NASA, ESA, καθώς και υπηρεσίες της Ιαπωνίας,Κίνακαι την Ινδία) αναπτύσσουν ενεργά επαναχρησιμοποιήσιμα διαστημικά αεροπλάνα, τα οποία θα μειώσουν σημαντικά το κόστος παράδοσης ανθρώπων και φορτίου σε τροχιά, καθώς και τα χρονικά διαστήματα μεταξύ των πτήσεων.

«Επί του παρόντος, έχουν επιτευχθεί σημαντικά αποτελέσματα στην ανάπτυξη τέτοιων συσκευών. Για παράδειγμα, η μείωση της ακτίνας στρογγυλοποίησης των αιχμηρών μπροστινών άκρων των φτερών σε μερικά εκατοστά οδηγεί σε σημαντική αύξηση της ανύψωσης και της ικανότητας ελιγμών, καθώς και σε μείωση της αεροδυναμικής αντίστασης. Ωστόσο, κατά την έξοδο από την ατμόσφαιρα και την εκ νέου είσοδο σε αυτήν, στην επιφάνεια των πτερυγίων του διαστημικού αεροπλάνου, μπορούν να παρατηρηθούν θερμοκρασίες περίπου 2000 βαθμών C, φτάνοντας τους 4000 βαθμούς C στην ίδια την άκρη. Επομένως, όταν πρόκειται για τέτοια αεροσκάφη, υπάρχει ένα ερώτημα που σχετίζεται με τη δημιουργία και την ανάπτυξη νέων υλικών που μπορούν να λειτουργήσουν σε τόσο υψηλές θερμοκρασίες», λέει ο Dmitry Moskovskikh, επικεφαλής του NUST MISIS Center for Construction Ceramic Materials.

Κατά τις πρόσφατες εξελίξεις, στόχος των επιστημόνων ήταν να δημιουργήσουν ένα υλικό με το υψηλότερο σημείο τήξης και υψηλές μηχανικές ιδιότητες. Επιλέχθηκε το τριπλό σύστημα αφνίου-άνθρακα-αζώτου, το ανθρακικό άφνιο (Hf-CN), καθώς επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Brown (ΗΠΑ) προέβλεπαν προηγουμένως ότι το ανθρακικό άφνιο θα είχε υψηλή θερμική αγωγιμότητα και αντίσταση στην οξείδωση, καθώς και την υψηλότερη τήξη σημείο μεταξύ όλων των γνωστών ενώσεων (περίπου 4200 βαθμοί Κελσίου).

Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της αυτο-πολλαπλασιαζόμενης σύνθεσης σε υψηλή θερμοκρασία, οι επιστήμονες της NUSTMISIS έλαβαν HfC0.5N0.35, (καρβονιτρίδιο άφνιο) κοντά στη θεωρητική σύνθεση, με υψηλή σκληρότητα 21,3 GPa, η οποία είναι ακόμη μεγαλύτερη από ό,τι σε νέα πολλά υποσχόμενα υλικά. όπως ZrB2/SiC (20,9 GPa) και HfB2/SiC/TaSi2 (18,1 GPa).

«Είναι δύσκολο να μετρήσεις το σημείο τήξης ενός υλικού όταν υπερβαίνει τους 4000 βαθμούς C. Ως εκ τούτου, αποφασίσαμε να συγκρίνουμε τις θερμοκρασίες τήξης της συντιθέμενης ένωσης και του αρχικού πρωταθλητή, του καρβιδίου του αφνίου. Για να γίνει αυτό, τοποθετήσαμε συμπιεσμένα δείγματα HFC και HfCN σε μια πλάκα γραφίτη σε σχήμα αλτήρα και καλύψαμε την κορυφή με παρόμοια πλάκα για να αποφύγουμε την απώλεια θερμότητας», λέει η Veronika Buinevich, μεταπτυχιακή φοιτήτρια NUST MISIS.

Στη συνέχεια, το σύνδεσαν με μια μπαταρία χρησιμοποιώνταςηλεκτρόδια μολυβδαινίου. Όλες οι δοκιμές έγιναν σε βαθιάκενό. Δεδομένου ότι η διατομή των πλακών γραφίτη διαφέρει, η μέγιστη θερμοκρασία επιτεύχθηκε στο στενότερο τμήμα. Τα αποτελέσματα της ταυτόχρονης θέρμανσης του νέου υλικού, καρβονιτριδίου και καρβιδίου του αφνίου, έδειξαν ότι το καρβονιτρίδιο έχει υψηλότερο σημείο τήξης από το καρβίδιο του αφνίου.

Ωστόσο, αυτή τη στιγμή, το συγκεκριμένο σημείο τήξης του νέου υλικού είναι πάνω από 4000 βαθμούς Κελσίου, και δεν μπορούσε να προσδιοριστεί με ακρίβεια στο εργαστήριο. Στο μέλλον, η ομάδα σχεδιάζει να πραγματοποιήσει πειράματα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας τήξης με πυρομετρία υψηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιώντας λέιζερ ή ηλεκτρική αντίσταση. Σκοπεύουν επίσης να μελετήσουν την απόδοση του προκύπτοντος ανθρακικού άφνιου σε υπερηχητικές συνθήκες, κάτι που θα είναι σχετικό για περαιτέρω εφαρμογή στην αεροδιαστημική βιομηχανία.