Группа ученых НИТУ «МИСиС» разработала керамический материал с самой высокой температурой плавления среди известных на сегодняшний день соединений. Благодаря уникальному сочетанию физико-механических и термических свойств материал перспективен для использования в наиболее теплонагруженных узлах летательных аппаратов, таких как носовые обтекатели, реактивные двигатели и острые передние кромки крыльев, работающих при температуре выше 2000 градусов С. Результаты опубликованы в журнале Ceramics International.

Многие ведущие космические агентства (НАСА, ЕКА, а также агентства Японии,Китайи Индия) активно разрабатывают многоразовые космические самолеты, которые позволят существенно снизить стоимость доставки людей и грузов на орбиту, а также сократить временные интервалы между полетами.

«В настоящее время достигнуты значительные результаты в разработке подобных устройств. Например, уменьшение радиуса скругления острых передних кромок крыльев до нескольких сантиметров приводит к значительному увеличению подъемной силы и маневренности, а также снижению аэродинамического сопротивления. Однако при выходе из атмосферы и повторном входе в нее на поверхности крыльев космического самолета можно наблюдать температуры около 2000 градусов С, достигающие на самом краю 4000 градусов С. Поэтому когда речь идет о таких самолетах, встает вопрос, связанный с созданием и разработкой новых материалов, способных работать при столь высоких температурах», — говорит Дмитрий Московских, руководитель Центра конструкционных керамических материалов НИТУ «МИСиС».

В ходе недавних разработок целью учёных было создание материала с самой высокой температурой плавления и высокими механическими свойствами. Была выбрана тройная система гафний-углерод-азот - карбонитрид гафния (Hf-CN), поскольку ученые из Университета Брауна (США) ранее предсказали, что карбонитрид гафния будет обладать высокой теплопроводностью и устойчивостью к окислению, а также самой высокой температурой плавления. точка среди всех известных соединений (около 4200 градусов С).

Используя метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, ученые НИСТМИСИС получили HfC0,5N0,35, (карбонитрид гафния), близкий к теоретическому составу, с высокой твердостью 21,3 ГПа, что даже выше, чем у новых перспективных материалов. такие как ZrB2/SiC (20,9 ГПа) и HfB2/SiC/TaSi2 (18,1 ГПа).

«Трудно измерить температуру плавления материала, если она превышает 4000 градусов С. Поэтому мы решили сравнить температуры плавления синтезированного соединения и оригинального чемпиона – карбида гафния. Для этого мы поместили сжатые образцы HFC и HfCN на графитовую пластину в форме гантели и накрыли сверху такой же пластиной во избежание теплопотерь», — рассказывает Вероника Буйневич, аспирантка НИТУ «МИСиС».

Затем они подключили его к аккумулятору с помощьюмолибденовые электроды. Все испытания проводились в глубокойвакуум. Поскольку поперечное сечение графитовых пластин различно, максимальная температура достигалась в самой узкой части. Результаты одновременного нагрева нового материала — карбонитрида и карбида гафния показали, что карбонитрид имеет более высокую температуру плавления, чем карбид гафния.

Однако на данный момент удельная температура плавления нового материала превышает 4000 градусов С и не может быть точно определена в лаборатории. В будущем команда планирует провести эксперименты по измерению температуры плавления методом высокотемпературной пирометрии с использованием лазера или электрического сопротивления. Также планируют изучить характеристики полученного карбонитрида гафния в гиперзвуковых условиях, что будет актуально для дальнейшего применения в аэрокосмической промышленности.