กลุ่มนักวิทยาศาสตร์จาก NUST MISIS พัฒนาวัสดุเซรามิกที่มีจุดหลอมเหลวสูงที่สุดในบรรดาสารประกอบที่รู้จักในปัจจุบัน เนื่องจากการผสมผสานคุณสมบัติทางกายภาพ เชิงกล และทางความร้อนที่เป็นเอกลักษณ์เข้าด้วยกัน วัสดุนี้จึงมีแนวโน้มที่จะใช้ในส่วนประกอบที่รับภาระความร้อนมากที่สุดของเครื่องบิน เช่น แฟริ่งจมูก เครื่องยนต์ไอพ่น และขอบส่วนหน้าแหลมคมของปีกที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า 2,000 องศาเซลเซียส ผลลัพธ์ได้รับการเผยแพร่ใน Ceramics International

หน่วยงานด้านอวกาศชั้นนำหลายแห่ง (NASA, ESA รวมถึงหน่วยงานของญี่ปุ่นจีนและอินเดีย) กำลังพัฒนาเครื่องบินอวกาศที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนในการส่งมอบคนและสินค้าขึ้นสู่วงโคจรได้อย่างมาก รวมถึงลดช่วงเวลาระหว่างเที่ยวบินด้วย

“ในปัจจุบัน การพัฒนาอุปกรณ์ดังกล่าวได้รับผลลัพธ์ที่สำคัญ ตัวอย่างเช่น การลดรัศมีการโค้งมนของขอบด้านหน้าอันแหลมคมของปีกลงเหลือเพียงไม่กี่เซนติเมตร จะทำให้การยกและความคล่องแคล่วเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ รวมถึงลดการลากตามหลักอากาศพลศาสตร์ด้วย อย่างไรก็ตาม เมื่อออกจากชั้นบรรยากาศและกลับเข้าไปใหม่ บนพื้นผิวปีกของเครื่องบินอวกาศ สามารถสังเกตอุณหภูมิได้ประมาณ 2,000 องศาเซลเซียส จนถึง 4,000 องศาเซลเซียส ที่ขอบสุด ดังนั้น เมื่อพูดถึงเครื่องบินประเภทนี้ มีคำถามที่เกี่ยวข้องกับการสร้างและพัฒนาวัสดุใหม่ที่สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงเช่นนี้” Dmitry Moskovskikh หัวหน้าศูนย์ NUST MISIS Center for Constructional Ceramic Materials กล่าว

ในระหว่างการพัฒนาล่าสุด เป้าหมายของนักวิทยาศาสตร์คือการสร้างวัสดุที่มีจุดหลอมเหลวสูงสุดและมีคุณสมบัติทางกลสูง ระบบแฮฟเนียม-คาร์บอน-ไนโตรเจนสามชนิดคือแฮฟเนียมคาร์โบไนไตรด์ (Hf-CN) ได้รับเลือก เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยบราวน์ (สหรัฐอเมริกา) คาดการณ์ไว้ก่อนหน้านี้ว่าแฮฟเนียมคาร์โบไนไตรด์จะมีค่าการนำความร้อนสูงและมีความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชัน รวมถึงการหลอมละลายสูงสุด ในบรรดาสารประกอบที่รู้จักทั้งหมด (ประมาณ 4,200 องศาเซลเซียส)

นักวิทยาศาสตร์ของ NUSTMISIS ใช้วิธีการสังเคราะห์ที่อุณหภูมิสูงแพร่กระจายได้เอง โดยได้รับ HfC0.5N0.35 (ฮาฟเนียม คาร์โบไนไตรด์) ใกล้เคียงกับองค์ประกอบทางทฤษฎี โดยมีความแข็งสูงถึง 21.3 GPa ซึ่งสูงกว่าวัสดุใหม่ๆ ที่มีแนวโน้มดีด้วยซ้ำ เช่น ZrB2/SiC (20.9 GPa) และ HfB2/SiC/TaSi2 (18.1 GPa)

“การวัดจุดหลอมเหลวของวัสดุเป็นเรื่องยากเมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 4,000 องศาเซลเซียส ดังนั้นเราจึงตัดสินใจเปรียบเทียบอุณหภูมิหลอมเหลวของสารประกอบสังเคราะห์กับฮาฟเนียมคาร์ไบด์ที่เป็นแชมป์ดั้งเดิม ในการทำเช่นนี้ เราได้วางตัวอย่าง HFC และ HfCN ที่ถูกบีบอัดไว้บนแผ่นกราไฟท์ที่มีรูปร่างเหมือนดัมเบล และปิดด้านบนด้วยแผ่นที่คล้ายกันเพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียความร้อน” Veronika Buinevich นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ NUST MISIS กล่าว

จากนั้นพวกเขาก็เชื่อมต่อกับแบตเตอรี่โดยใช้อิเล็กโทรดโมลิบดีนัม- การทดสอบทั้งหมดดำเนินการในระดับลึกเครื่องดูดฝุ่น- เนื่องจากหน้าตัดของแผ่นกราไฟท์แตกต่างกัน อุณหภูมิสูงสุดจึงอยู่ที่ส่วนที่แคบที่สุด ผลการให้ความร้อนพร้อมกันของวัสดุใหม่ คาร์บอนไนไตรด์ และแฮฟเนียมคาร์ไบด์ แสดงให้เห็นว่าคาร์บอนไนไตรด์มีจุดหลอมเหลวสูงกว่าแฮฟเนียมคาร์ไบด์

อย่างไรก็ตาม ในขณะนี้ จุดหลอมเหลวจำเพาะของวัสดุใหม่สูงกว่า 4,000 องศาเซลเซียส และไม่สามารถระบุได้อย่างแม่นยำในห้องปฏิบัติการ ในอนาคต ทีมงานวางแผนที่จะทำการทดลองวัดอุณหภูมิหลอมเหลวด้วยไพโรเมทรีที่อุณหภูมิสูง โดยใช้เลเซอร์หรือความต้านทานไฟฟ้า พวกเขายังวางแผนที่จะศึกษาประสิทธิภาพของแฮฟเนียมคาร์โบไนไตรด์ที่เกิดขึ้นในสภาวะที่มีความเร็วเหนือเสียง ซึ่งจะเกี่ยวข้องกับการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศต่อไป