Grupa naukowców z NUST MISIS opracowała materiał ceramiczny o najwyższej temperaturze topnienia spośród obecnie znanych związków. Dzięki unikalnemu połączeniu właściwości fizycznych, mechanicznych i termicznych materiał ten jest obiecujący do zastosowania w najbardziej obciążonych cieplnie elementach samolotów, takich jak owiewki dziobowe, silniki odrzutowe czy ostre przednie krawędzie skrzydeł pracujących w temperaturach powyżej 2000 stopni C. Wyniki opublikowano w Ceramics International.

Wiele wiodących agencji kosmicznych (NASA, ESA, a także agencje Japonii,Chinyi Indie) aktywnie pracują nad samolotami kosmicznymi wielokrotnego użytku, które znacznie obniżą koszty dostarczania ludzi i ładunków na orbitę, a także skrócą odstępy czasowe między lotami.

„Obecnie osiągnięto znaczące wyniki w rozwoju takich urządzeń. Przykładowo zmniejszenie promienia zaokrąglenia ostrych przednich krawędzi skrzydeł do kilku centymetrów prowadzi do znacznego zwiększenia siły nośnej i zwrotności, a także zmniejszenia oporu aerodynamicznego. Jednak przy wyjściu z atmosfery i ponownym wejściu do niej, na powierzchni skrzydeł samolotu kosmicznego można zaobserwować temperatury rzędu 2000 stopni C, sięgające na samej krawędzi 4000 stopni C. Dlatego w przypadku takich samolotów pojawia się pytanie związane z tworzeniem i rozwojem nowych materiałów, które mogą pracować w tak wysokich temperaturach” – mówi Dmitry Moskovskikh, kierownik Centrum Konstrukcyjnych Materiałów Ceramicznych NUST MISIS.

Podczas ostatnich prac celem naukowców było stworzenie materiału o najwyższej temperaturze topnienia i wysokich właściwościach mechanicznych. Wybrano potrójny układ hafn-węgiel-azot, węgloazotek hafnu (Hf-CN), ponieważ naukowcy z Brown University (USA) przewidywali wcześniej, że węglikoazotek hafnu będzie miał wysoką przewodność cieplną i odporność na utlenianie, a także najwyższą temperaturę topnienia punkt wśród wszystkich znanych związków (około 4200 stopni C).

Korzystając z metody samorozmnażającej się syntezy wysokotemperaturowej, naukowcy z projektu NUSTMISIS uzyskali HfC0.5N0.35 (węgloazotek hafnu) o składzie zbliżonym do teoretycznego, o wysokiej twardości wynoszącej 21,3 GPa, czyli nawet wyższej niż w przypadku nowych obiecujących materiałów, takie jak ZrB2/SiC (20,9 GPa) i HfB2/SiC/TaSi2 (18,1 GPa).

„Trudno zmierzyć temperaturę topnienia materiału, gdy temperatura przekracza 4000 stopni C. Dlatego postanowiliśmy porównać temperatury topnienia zsyntetyzowanego związku i oryginalnego mistrza, węglika hafnu. W tym celu umieściliśmy skompresowane próbki HFC i HfCN na płycie grafitowej w kształcie hantli i przykryliśmy wierzch podobną płytką, aby uniknąć utraty ciepła” – mówi Veronika Buinevich, studentka studiów podyplomowych NUST MISIS.

Następnie podłączyli go do akumulatora za pomocąelektrody molibdenowe. Wszystkie badania przeprowadzono w głębokiej wodziepróżnia. Ponieważ przekrój płyt grafitowych jest różny, maksymalna temperatura została osiągnięta w najwęższym miejscu. Wyniki jednoczesnego ogrzewania nowego materiału, węglikoazotku i węglika hafnu, wykazały, że węglikoazotek ma wyższą temperaturę topnienia niż węglik hafnu.

Jednak w tej chwili konkretna temperatura topnienia nowego materiału wynosi ponad 4000 stopni C i nie udało się jej dokładnie określić w laboratorium. W przyszłości zespół planuje przeprowadzić eksperymenty z pomiarem temperatury topnienia metodą pirometrii wysokotemperaturowej z wykorzystaniem lasera lub oporu elektrycznego. Planują także zbadać zachowanie powstałego węglikoazotku hafnu w warunkach hipersonicznych, co będzie istotne dla dalszego zastosowania w przemyśle lotniczym.