Група вчених НІТУ «МІСіС» розробила керамічний матеріал з найвищою температурою плавлення серед відомих на сьогодні сполук. Завдяки унікальному поєднанню фізико-механічних і термічних властивостей матеріал перспективний для використання в найбільш теплонавантажених компонентах літаків, таких як носові обтічники, реактивні двигуни і гострі передні кромки крил, що працюють при температурах вище 2000 градусів Цельсія. Результати опубліковані в Ceramics International.

Багато провідних космічних агентств (NASA, ESA, а також агентства Японії,Китайта Індія) активно розробляють багаторазові космічні літаки, що дозволить істотно здешевити доставку людей і вантажів на орбіту, а також скоротити часові інтервали між польотами.

«Наразі в розробці таких пристроїв досягнуто значних результатів. Наприклад, зменшення радіуса закруглення гострих передніх країв крил до декількох сантиметрів призводить до значного збільшення підйомної сили і маневреності, а також до зниження аеродинамічного опору. Однак при виході з атмосфери і повторному вході в неї на поверхні крил космоплана можна спостерігати температури близько 2000 градусів Цельсія, які досягають 4000 градусів Цельсія на самому краю. Тому, коли мова йде про такі літальні апарати, постає питання, пов’язане зі створенням і розробкою нових матеріалів, здатних працювати при таких високих температурах», – говорить Дмитро Московських, керівник Центру конструкційних керамічних матеріалів НІТУ «МІСіС».

Під час останніх розробок метою вчених було створення матеріалу з найвищою температурою плавлення та високими механічними властивостями. Потрійна система гафній-вуглець-азот, карбонітрид гафнію (Hf-CN), була обрана, оскільки вчені з Університету Брауна (США) раніше передбачили, що карбонітрид гафнію матиме високу теплопровідність і стійкість до окислення, а також найвищу плавність. точка серед усіх відомих сполук (приблизно 4200 градусів С).

Використовуючи метод саморозповсюджуваного високотемпературного синтезу, науковці NUSTMISIS отримали HfC0,5N0,35, (карбонітрид гафнію), близький до теоретичного складу, з високою твердістю 21,3 ГПа, що навіть вище, ніж у нових перспективних матеріалів, такі як ZrB2/SiC (20,9 ГПа) і HfB2/SiC/TaSi2 (18,1 ГПа).

«Важко виміряти температуру плавлення матеріалу, коли він перевищує 4000 градусів С. Тому ми вирішили порівняти температури плавлення синтезованої сполуки та оригінального чемпіона, карбіду гафнію. Для цього ми помістили спресовані зразки HFC і HfCN на графітову пластину у формі гантелі, а зверху накрили такою ж пластиною, щоб уникнути втрати тепла», — розповідає Вероніка Буйневич, аспірантка НІТУ «МІСіС».

Потім вони підключили його до акумулятора за допомогоюмолібденові електроди. Усі випробування проводились у глибинівакуум. Оскільки поперечний переріз графітових пластин різний, максимальна температура досягалася в найвужчій частині. Результати одночасного нагрівання нового матеріалу, карбонітриду і карбіду гафнію, показали, що карбонітрид має вищу температуру плавлення, ніж карбід гафнію.

Однак на даний момент питома температура плавлення нового матеріалу перевищує 4000 градусів Цельсія, і її не вдалося точно визначити в лабораторії. У майбутньому команда планує провести експерименти з вимірювання температури плавлення за допомогою високотемпературної пірометрії за допомогою лазера або електричного опору. Вони також планують вивчити продуктивність отриманого карбонітриду гафнію в гіперзвукових умовах, що буде актуально для подальшого застосування в аерокосмічній промисловості.