Керамический материал, который обладает самой высокой температурой плавления

ЭкспертНаука

Гипертемпература для гиперзвука

Керамический материал, который обладает самой высокой температурой плавления среди всех известных соединений, удалось разработать группе ученых НИТУ МИСиС

Сергей Куликов

В ходе реализации проекта «Синтез и искровое плазменное спекание сверхвысокотемпературной керамики для аэрокосмической промышленности» удалось получить соединение HfC0.5N0.35 (карбонитрид гафния). Предполагается, что температура его плавления составит свыше 4200 °C, однако более точный показатель установить не удалось, так как имитировать такие температурные нагрузки в лабораторных условиях очень сложно. Но то, что она выше, чем у какого-либо другого материала, удалось установить точно, поскольку предыдущий «рекордсмен», подвергнутый температурному воздействию вместе с ним, расплавился.

Ученые уверены, что материал будет востребован в аэрокосмической отрасли, для создания наиболее теплонагруженных элементов летательных аппаратов — головных обтекателей, передних кромок крыльев и воздушно-реактивных двигателей. Предполагается, что он может быть как добавкой для получения улучшенных композиционных материалов, так и покрытием.

Через трения к звездам

Открытие, как признаются авторы, было «предсказано» еще в 2015 году. Тогда, используя современную компьютерную технику для моделирования физических процессов на атомном уровне, исследователи из Университета Брауна (США) заявили, что самую высокую температуру плавления будет иметь материал, изготовленный из гафния, углерода и азота (Hf-C-N). И рассчитали, что она составит более 4200 °C. «Преимущество вычислительного подхода в том, что мы можем дешево попробовать множество различных комбинаций и найти те, с которыми стоит поэкспериментировать в лаборатории», — пояснил тогда доцент кафедры инженерии американского вуза Аксель ван де Валле.

Попробовать решили в России. Взяв за основу эту тройную систему, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) отечественные исследователи получили своего «рекордсмена». В ходе проекта ученые сравнили плавкость исходного карбида гафния (температура плавления — 3990 °C) и полученного карбонитрида гафния. В глубоком вакууме был проведен их одновременный нагрев. В результате карбид оплавился, а карбонитрид остался неизменным.

Заявка на получение патента РФ уже отправлена, сообщил «Эксперту» директор Научно-исследовательского центра «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСиС Дмитрий Московских. По его словам, реализация проекта — их собственная инициатива, а финансирует его Российский научный фонд. Сфера применения материала понятна из названия проекта — аэрокосмическая.

Главная задача при создании гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) — разработка и модернизация воздушно-реактивных двигателей, носовых обтекателей и острых передних кромок крыльев. «Возникает необходимость в приобретении и накоплении фундаментальных знаний о свойствах и поведении тугоплавких материалов в условиях сверхвысоких температур», — отмечает г-н Московских. Например, на краях «затупленных» передних кромок и на хвостовом оперении таких ГЛА многоразового пользования, как «Буран» и Space Shuttle, наблюдались температуры порядка 1600 °С. Для их теплозащиты использовались углерод-углеродные композиты с карбидокремниевой матрицей. Они обладают хорошей стойкостью к окислению, но сегодня этого недостаточно.

По словам ученого, в будущем планируется уменьшить радиус скругления передних кромок ГЛА до нескольких сантиметров. Это приведет к увеличению подъемной силы и маневренности, а также уменьшит аэродинамическое сопротивление. «Но во время выхода-входа в атмосферу при скорости от 6 до 10 Маха на поверхности кромок будет порядка 2000 градусов, а на самом краю — 4000 градусов Цельсия, — уточняет он. — Поэтому для прорыва в аэронавтике необходимо разработать конструкционные материалы, которые будут работать в условиях сверхвысоких температур при аэродинамическом нагреве высокоскоростными потоками воздуха».

Как повышать температуру

Отметим, что получением сверхтугоплавких материалов в России занимаются несколько научных центров. В 2017 году было объявлено, что ученые из Института ядерной физики имени Г. И. Будкера совместно с коллегами из Института химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ) разработали новую технологию получения изделий из карбида гафния — метод электроннолучевой сварки. Но речь все-таки идет о двух разных материалах — карбиде гафния и карбонитриде гафния, пояснил «Эксперту» старший научный сотрудник ИХТТМ Алексей Анчаров. По его словам, основной задачей их исследований было получение компактного материала с малой работой выхода электронов. Это позволяет создать высокоэффективные катоды для ускорителей электронов и отводить тепловую энергию от энергетически нагруженных элементов ГЛА.

Несмотря на значимость достижения, ученым из МИСиС предстоит еще много работы, уточняют их коллеги. «Доказательством получения нового материала должна служить дифрактограмма и точные измерения температуры плавления», — отметил Алексей Анчаров.

Это лишь вопрос времени, полагает Дмитрий Московских. По его словам, в скором времени совместно с Объединенным институтом высоких температур РАН планируется расплавить карбонитрид гафния лазером, одновременно проводя измерения теплофизических свойств этого материала.

В свою очередь завкафедрой химической технологии и новых материалов химфака МГУ Виктор Авдеев обращает внимание, что сейчас можно вести речь о том, что в результате было получено все-таки пока еще «вещество». «Материалом оно станет, когда найдет конкретное применение», — считает г-н Авдеев. По его мнению, сферой применения вещества может стать не только космонавтика. «Может оказаться, что необходимость в нем возникнет для производства лопаток различных энергетических установок, при изготовлении которых учитываются не только температура, но и коэффициент расширения как самого высокотемпературного покрытия, так и материала, на который оно наносится», — уточняет он.

Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Вирусы против людей: хроника вечной войны Вирусы против людей: хроника вечной войны

Афинская чума, черная смерть, испанка, СПИД и другие эпидемии человечества

Дилетант
Сказочные лихие Сказочные лихие

Почему к 90-м привязался эпитет «лихие»?

Огонёк
Судоходная Арктика Судоходная Арктика

Беспрецедентное по масштабам строительство судов ледового класса в России

Популярная механика
Инвестировали, спасали бизнес и готовились к переделу: как вели себя состоятельные клиенты ВТБ в кризис Инвестировали, спасали бизнес и готовились к переделу: как вели себя состоятельные клиенты ВТБ в кризис

Что делали состоятельные клиенты ВТБ во время кризиса

Forbes
Холодный ветер согреет города Холодный ветер согреет города

В России разработали установку для превращения энергии ветра в тепло

Эксперт
Разработчики систем прослушки нарастили выручку на десятки процентов благодаря «закону Яровой» Разработчики систем прослушки нарастили выручку на десятки процентов благодаря «закону Яровой»

Как «закон Яровой» повлиял на рынок в 2019 году

Forbes
Точка разрыва Точка разрыва

Рынок нефти переживает беспрецедентный профицит предложения

Эксперт
1947: бурный рост 1947: бурный рост

Всего за один год мотопромышленность СССР выдвинулась в число крупнейших в мире

Мото
Гидрофойл для миллионов Гидрофойл для миллионов

Гидрофойл – доска на подводных крыльях для серфинга

Популярная механика
Dark Kitchen: Продукт без границ Dark Kitchen: Продукт без границ

Встречайте проект Dark Kitchen — кухню без зала и сервиса

Bones
Коллайдеры новой эры Коллайдеры новой эры

Ускорительный комплекс NICA в Дубне решит большие вопросы современной физики

Эксперт
Зинаида Серебрякова: жизнь в картинах. Часть первая Зинаида Серебрякова: жизнь в картинах. Часть первая

Начало непростой истории Зинаиды Серебряковой, 1884 — 1924 года

Культура.РФ
Большая корпорация или маленький бизнес: какая работа подходит тебе по характеру Большая корпорация или маленький бизнес: какая работа подходит тебе по характеру

Займись тем, что тебе нравится, там, где тебе будет комфортно работать

Cosmopolitan
Первый как второй Первый как второй

Во многих из ресторанов работают вторые шефы

Bones
Опасная классика: как не ошибиться с выбором красной помады Опасная классика: как не ошибиться с выбором красной помады

Боишься носить красную помаду, потому что считаешь, что она тебе не идет?

VOICE
Гаджеты смогут определять наш характер по фото? Гаджеты смогут определять наш характер по фото?

«Свет мой, зеркальце, скажи, да всю правду доложи…»

Psychologies
Микрофлюидика помогла смоделировать эмбриональное развитие нервной трубки Микрофлюидика помогла смоделировать эмбриональное развитие нервной трубки

Ее клетки дифференцировались по путям разных отделов мозга

N+1
Железо обвинили в утечке углекислого газа из многолетней мерзлоты Железо обвинили в утечке углекислого газа из многолетней мерзлоты

Прогнозы эмиссии углекислого газа из мерзлоты занижены примерно на 14 процентов

N+1
Философия стоиков как путь к успеху: почему чтобы попасть в цель, нужно перестать этого хотеть Философия стоиков как путь к успеху: почему чтобы попасть в цель, нужно перестать этого хотеть

Фрагмент книги «Сила спокойствия» Райана Холидея

Inc.
12 способов испортить первое свидание 12 способов испортить первое свидание

Темы, которые нежелательно поднимать на первом свидании

Maxim
Античная тара Античная тара

Экспозиция «Античные транспортные амфоры»

Дилетант
Вы из будущего! Вы из будущего!

Тренды зумеров: TikTok-мания, онлайн-макияж, персонализация и этичность

Grazia
10 необычных автографов: от Леонардо да Винчи до Марка Цукерберга 10 необычных автографов: от Леонардо да Винчи до Марка Цукерберга

Объединяет их одно – это очень необычные люди с необычными подписями

Популярная механика
Правила жизни Рэя Чарльза Правила жизни Рэя Чарльза

Музыкант, умер 10 июня 2004 года в возрасте 73 лет

Esquire
5 ответов на важные вопросы о родинках на нашем теле 5 ответов на важные вопросы о родинках на нашем теле

Профессор-онколог ответил на самые распространенных вопросы о невусах

РБК
«Он спасает планету»: эксклюзивное интервью матери Илона Маска — о детстве миллиардера, запуске Crew Dragon и счастье в 70 лет «Он спасает планету»: эксклюзивное интервью матери Илона Маска — о детстве миллиардера, запуске Crew Dragon и счастье в 70 лет

Мэй Маск о том, как ушла с тремя детьми от мужа и о детстве Илона Маска

Forbes
Ветер с Востока Ветер с Востока

В деле наведения порядка Мари Кондо использует необычные ингредиенты

Добрые советы
Задача для первоклашки. А вы справитесь? Задача для первоклашки. А вы справитесь?

Сколько вы видите треугольников на изображении?

Популярная механика
«Жены сами провоцируют измены своих мужей» «Жены сами провоцируют измены своих мужей»

Правда ли, что жены тех, с кем она встречалась, сами способствуют их неверности

Psychologies
У людей обнаружили стереообоняние У людей обнаружили стереообоняние

Сетереобоняние вероятно, не связано с тройничным нервом

N+1
Открыть в приложении