Un gruppo di scienziati del NUST MISIS ha sviluppato un materiale ceramico con il punto di fusione più alto tra i composti attualmente conosciuti. Grazie alla combinazione unica di proprietà fisiche, meccaniche e termiche, il materiale è promettente per l'uso nei componenti degli aerei più soggetti a carico di calore, come carenature del muso, motori a reazione e bordi anteriori affilati delle ali che operano a temperature superiori a 2000 gradi C. I risultati sono pubblicati su Ceramics International.

Molte delle principali agenzie spaziali (NASA, ESA, nonché agenzie del Giappone,Cinae India) stanno sviluppando attivamente aerei spaziali riutilizzabili, che ridurranno significativamente i costi di trasporto di persone e merci in orbita, oltre a ridurre gli intervalli di tempo tra i voli.

“Attualmente sono stati raggiunti risultati significativi nello sviluppo di tali dispositivi. Ad esempio, ridurre a pochi centimetri il raggio di arrotondamento degli spigoli anteriori delle ali porta ad un aumento significativo della portanza e della manovrabilità, oltre a ridurre la resistenza aerodinamica. Tuttavia, quando si esce dall'atmosfera e si rientra, sulla superficie delle ali dello spazioplano si possono osservare temperature di circa 2000 gradi C, che raggiungono i 4000 gradi C all'estremità. Pertanto, quando si tratta di tali velivoli, c’è una questione associata alla creazione e allo sviluppo di nuovi materiali che possano funzionare a temperature così elevate”, afferma Dmitry Moskovskikh, capo del Centro NUST MISIS per i materiali ceramici da costruzione.

Durante i recenti sviluppi, l'obiettivo degli scienziati era quello di creare un materiale con il punto di fusione più elevato ed elevate proprietà meccaniche. È stato scelto il triplo sistema afnio-carbonio-azoto, il carbonitruro di afnio (Hf-CN), poiché gli scienziati della Brown University (USA) avevano precedentemente previsto che il carbonitruro di afnio avrebbe avuto un'elevata conduttività termica e resistenza all'ossidazione, nonché il più alto punto di fusione punto tra tutti i composti conosciuti (circa 4200 gradi C).

Utilizzando il metodo di sintesi ad alta temperatura autopropagante, gli scienziati NUSTMISIS hanno ottenuto HfC0.5N0.35, (carbonitruro di afnio) vicino alla composizione teorica, con un'elevata durezza di 21,3 GPa, che è persino superiore a quella dei nuovi materiali promettenti, come ZrB2/SiC (20,9 GPa) e HfB2/SiC/TaSi2 (18,1 GPa).

“È difficile misurare il punto di fusione di un materiale quando supera i 4000 gradi С. Pertanto, abbiamo deciso di confrontare le temperature di fusione del composto sintetizzato e del campione originale, il carburo di afnio. Per fare ciò, abbiamo posizionato campioni HFC e HfCN compressi su una piastra di grafite a forma di manubrio e abbiamo coperto la parte superiore con una piastra simile per evitare perdite di calore”, afferma Veronika Buinevich, studentessa post-laurea NUST MISIS.

Successivamente, lo hanno collegato a una batteria utilizzandoelettrodi di molibdeno. Tutti i test sono stati eseguiti in profonditàvuoto. Poiché la sezione trasversale delle lastre di grafite è diversa, la temperatura massima è stata raggiunta nella parte più stretta. I risultati del riscaldamento simultaneo del nuovo materiale, carbonitruro e carburo di afnio, hanno mostrato che il carbonitruro ha un punto di fusione più elevato rispetto al carburo di afnio.

Tuttavia, al momento, il punto di fusione specifico del nuovo materiale è superiore a 4.000 gradi C e non è stato possibile determinarlo con precisione in laboratorio. In futuro, il team prevede di condurre esperimenti sulla misurazione della temperatura di fusione mediante pirometria ad alta temperatura utilizzando un laser o una resistenza elettrica. Hanno inoltre in programma di studiare le prestazioni del carbonitruro di afnio risultante in condizioni ipersoniche, che saranno rilevanti per ulteriori applicazioni nell'industria aerospaziale.