En grupp forskare från NUST MISIS utvecklade ett keramiskt material med den högsta smältpunkten bland för närvarande kända föreningar. På grund av den unika kombinationen av fysiska, mekaniska och termiska egenskaper är materialet lovande för användning i de mest värmebelastade komponenterna i flygplan, såsom nosskydd, jetmotorer och vassa framkanter på vingarna som arbetar vid temperaturer över 2000 grader C. Resultaten publiceras i Ceramics International.

Många ledande rymdorganisationer (NASA, ESA, såväl som byråer i Japan,Kinaoch Indien) utvecklar aktivt återanvändbara rymdplan, vilket avsevärt kommer att minska kostnaderna för att leverera människor och gods till omloppsbana, samt minska tidsintervallen mellan flygningar.

"För närvarande har betydande resultat uppnåtts i utvecklingen av sådana enheter. Att till exempel minska avrundningsradien för vingarnas skarpa framkanter till några centimeter leder till en betydande ökning av lyftkraft och manövrerbarhet, samt minskar det aerodynamiska motståndet. Men när man lämnar atmosfären och går in i den igen, på ytan av rymdplanets vingar, kan temperaturer på cirka 2000 grader C observeras, som når 4000 grader C i själva kanten. Därför, när det kommer till sådana flygplan, finns det en fråga förknippad med skapandet och utvecklingen av nya material som kan fungera vid så höga temperaturer”, säger Dmitry Moskovskikh, chef för NUST MISIS Center for Constructional Ceramic Materials.

Under den senaste utvecklingen var målet för forskarna att skapa ett material med den högsta smältpunkten och höga mekaniska egenskaper. Det tredubbla hafnium-kol-kvävesystemet, hafniumkarbonitrid (Hf-CN), valdes, eftersom forskare från Brown University (USA) tidigare förutspått att hafniumkarbonitrid skulle ha en hög värmeledningsförmåga och motståndskraft mot oxidation, såväl som den högsta smältningen punkt bland alla kända föreningar (ungefär 4200 grader C).

Genom att använda metoden för självförökande högtemperatursyntes erhöll NUSTMISIS-forskarna HfC0.5N0.35, (hafniumkarbonitrid) nära den teoretiska sammansättningen, med en hög hårdhet på 21,3 GPa, vilket är ännu högre än i nya lovande material, såsom ZrB2/SiC (20,9 GPa) och HfB2/SiC/TaSi2 (18,1 GPa).

"Det är svårt att mäta ett materials smältpunkt när det överstiger 4000 grader С. Därför bestämde vi oss för att jämföra smälttemperaturerna för den syntetiserade föreningen och den ursprungliga mästaren, hafniumkarbid. För att göra detta placerade vi komprimerade HFC- och HfCN-prover på en grafitplatta formad som en hantel och täckte toppen med en liknande platta för att undvika värmeförlust”, säger Veronika Buinevich, doktorand i NUST MISIS.

Därefter kopplade de den till ett batteri med hjälp avmolybdenelektroder. Alla tester utfördes i ett djupvakuum. Eftersom tvärsnittet av grafitplattor skiljer sig, nåddes den maximala temperaturen i den smalaste delen. Resultaten av samtidig uppvärmning av det nya materialet, karbonitrid och hafniumkarbid, visade att karbonitriden har en högre smältpunkt än hafniumkarbid.

Men för närvarande är den specifika smältpunkten för det nya materialet över 4000 grader C och kunde inte fastställas exakt i laboratoriet. I framtiden planerar teamet att genomföra experiment för att mäta smälttemperaturen genom högtemperaturpyrometri med hjälp av laser eller elektriskt motstånd. De planerar också att studera prestandan hos den resulterande hafniumkarbonitriden i hypersoniska förhållanden, vilket kommer att vara relevant för vidare tillämpning inom flygindustrin.