Een groep wetenschappers van NUST MISIS ontwikkelde een keramisch materiaal met het hoogste smeltpunt van de momenteel bekende verbindingen. Vanwege de unieke combinatie van fysieke, mechanische en thermische eigenschappen is het materiaal veelbelovend voor gebruik in de meest hittebelaste onderdelen van vliegtuigen, zoals neusstroomlijnkappen, straalmotoren en scherpe voorranden van vleugels die werken bij temperaturen boven 2000 graden Celsius. De resultaten zijn gepubliceerd in Ceramics International.

Veel toonaangevende ruimtevaartagentschappen (NASA, ESA, maar ook agentschappen uit Japan,Chinaen India) zijn actief bezig met de ontwikkeling van herbruikbare ruimtevliegtuigen, die de kosten voor het in een baan om de aarde brengen van mensen en vracht aanzienlijk zullen verlagen en de tijdsintervallen tussen vluchten zullen verkorten.

“Momenteel zijn er significante resultaten geboekt bij de ontwikkeling van dergelijke apparaten. Het verkleinen van de afrondingsstraal van de scherpe voorranden van de vleugels tot enkele centimeters leidt bijvoorbeeld tot een aanzienlijke toename van de lift en manoeuvreerbaarheid, en tot een vermindering van de luchtweerstand. Bij het verlaten van de atmosfeer en het opnieuw binnenkomen ervan kunnen op het oppervlak van de vleugels van het ruimtevliegtuig echter temperaturen van ongeveer 2000 graden Celsius worden waargenomen, met een bereik van 4000 graden Celsius aan de uiterste rand. Daarom is er, als het om dergelijke vliegtuigen gaat, een vraag verbonden aan de creatie en ontwikkeling van nieuwe materialen die bij zulke hoge temperaturen kunnen werken”, zegt Dmitry Moskovskikh, hoofd van het NUST MISIS Center for Constructional Ceramic Materials.

Tijdens recente ontwikkelingen was het doel van de wetenschappers om een ​​materiaal te creëren met het hoogste smeltpunt en hoge mechanische eigenschappen. Er werd gekozen voor het drievoudige hafnium-koolstof-stikstofsysteem, hafniumcarbonitride (Hf-CN), omdat wetenschappers van de Brown University (VS) eerder voorspelden dat hafniumcarbonitride een hoge thermische geleidbaarheid en weerstand tegen oxidatie zou hebben, evenals het hoogste smeltpunt. punt van alle bekende verbindingen (ongeveer 4200 graden C).

Met behulp van de methode van zichzelf voortplantende synthese bij hoge temperaturen hebben de NUSTMISIS-wetenschappers HfC0.5N0.35 (hafniumcarbonitride) verkregen dat dicht bij de theoretische samenstelling ligt, met een hoge hardheid van 21,3 GPa, wat zelfs hoger is dan in nieuwe veelbelovende materialen. zoals ZrB2/SiC (20,9 GPa) en HfB2/SiC/TaSi2 (18,1 GPa).

“Het is moeilijk om het smeltpunt van een materiaal te meten als het boven de 4000 graden Celsius ligt. Daarom besloten we de smelttemperaturen van de gesynthetiseerde verbinding en de oorspronkelijke kampioen, hafniumcarbide, te vergelijken. Om dit te doen, plaatsten we gecomprimeerde HFC- en HfCN-monsters op een grafietplaat in de vorm van een halter, en bedekten we de bovenkant met een soortgelijke plaat om warmteverlies te voorkomen”, zegt Veronika Buinevich, postdoctorale studente NUST MISIS.

Vervolgens hebben ze hem met behulp van een batterij aangeslotenmolybdeen elektroden. Alle tests werden in een diepte uitgevoerdvacuüm. Omdat de doorsnede van grafietplaten verschilt, werd de maximale temperatuur in het smalste gedeelte bereikt. De resultaten van gelijktijdige verwarming van het nieuwe materiaal, carbonitride, en hafniumcarbide, toonden aan dat het carbonitride een hoger smeltpunt heeft dan hafniumcarbide.

Momenteel ligt het specifieke smeltpunt van het nieuwe materiaal echter boven de 4000 graden Celsius en kon in het laboratorium niet precies worden bepaald. In de toekomst is het team van plan experimenten uit te voeren met het meten van de smelttemperatuur door pyrometrie bij hoge temperatuur met behulp van een laser of elektrische weerstand. Ze zijn ook van plan de prestaties van het resulterende hafniumcarbonitride onder hypersonische omstandigheden te bestuderen, wat relevant zal zijn voor verdere toepassing in de lucht- en ruimtevaartindustrie.