Um grupo de cientistas da NUST MISIS desenvolveu um material cerâmico com o ponto de fusão mais alto entre os compostos atualmente conhecidos. Devido à combinação única de propriedades físicas, mecânicas e térmicas, o material é promissor para uso nos componentes de aeronaves mais carregados de calor, como carenagens de nariz, motores a jato e bordas frontais afiadas de asas operando em temperaturas acima de 2.000 graus C. Os resultados são publicados na Ceramics International.

Muitas agências espaciais líderes (NASA, ESA, bem como agências do Japão,Chinae Índia) estão desenvolvendo ativamente aviões espaciais reutilizáveis, o que reduzirá significativamente o custo de entrega de pessoas e cargas em órbita, bem como reduzirá os intervalos de tempo entre os voos.

“Atualmente, resultados significativos foram alcançados no desenvolvimento de tais dispositivos. Por exemplo, reduzir o raio de arredondamento das bordas frontais afiadas das asas para alguns centímetros leva a um aumento significativo na sustentação e na manobrabilidade, além de reduzir o arrasto aerodinâmico. Porém, ao sair da atmosfera e reentrar nela, na superfície das asas do avião espacial, podem ser observadas temperaturas de cerca de 2.000 graus C, chegando a 4.000 graus C na borda. Portanto, quando se trata dessas aeronaves, há uma questão associada à criação e desenvolvimento de novos materiais que possam funcionar em temperaturas tão altas”, diz Dmitry Moskovskikh, chefe do NUST MISIS Center for Constructional Ceramic Materials.

Durante os desenvolvimentos recentes, o objetivo dos cientistas era criar um material com o mais alto ponto de fusão e altas propriedades mecânicas. O sistema triplo háfnio-carbono-nitrogênio, carbonitreto de háfnio (Hf-CN), foi escolhido, pois cientistas da Brown University (EUA) previram anteriormente que o carbonitreto de háfnio teria alta condutividade térmica e resistência à oxidação, bem como maior ponto de fusão ponto entre todos os compostos conhecidos (aproximadamente 4200 graus C).

Usando o método de síntese autopropagada em alta temperatura, os cientistas da NUSTMISIS obtiveram HfC0,5N0,35, (carbonitreto de háfnio) próximo à composição teórica, com alta dureza de 21,3 GPa, que é ainda maior do que em novos materiais promissores, como ZrB2/SiC (20,9 GPa) e HfB2/SiC/TaSi2 (18,1 GPa).

“É difícil medir o ponto de fusão de um material quando excede 4.000 graus C. Portanto, decidimos comparar as temperaturas de fusão do composto sintetizado e do campeão original, o carboneto de háfnio. Para fazer isso, colocamos amostras comprimidas de HFC e HfCN em uma placa de grafite em forma de haltere e cobrimos a parte superior com uma placa semelhante para evitar perda de calor”, diz Veronika Buinevich, estudante de pós-graduação do NUST MISIS.

Em seguida, eles o conectaram a uma bateria usandoeletrodos de molibdênio. Todos os testes foram realizados em profundidadevácuo. Como a seção transversal das placas de grafite é diferente, a temperatura máxima foi atingida na parte mais estreita. Os resultados do aquecimento simultâneo do novo material, carbonitreto e carboneto de háfnio, mostraram que o carbonitreto tem um ponto de fusão mais elevado do que o carboneto de háfnio.

Porém, no momento, o ponto de fusão específico do novo material está acima de 4.000 graus C e não pôde ser determinado com precisão em laboratório. No futuro, a equipe planeja realizar experimentos de medição da temperatura de fusão por pirometria de alta temperatura usando laser ou resistência elétrica. Eles também planejam estudar o desempenho do carbonitreto de háfnio resultante em condições hipersônicas, que será relevante para futuras aplicações na indústria aeroespacial.