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

На грани слышимости: нейтринные коммуникации для подводного флота На грани слышимости: нейтринные коммуникации для подводного флота

Современные субмарины становятся неслышимы и невидимы для радаров

Популярная механика
«Странная обезьяна: Куда делась шерсть и почему люди разного цвета» «Странная обезьяна: Куда делась шерсть и почему люди разного цвета»

Ранняя эволюция волос в эпоху предков млекопитающих

N+1
Куда приводят эпидемии Куда приводят эпидемии

Все эпидемии приводили к колоссальным изменениям в области политики

Эксперт
Каким получился новый альбом Леди Гаги Каким получился новый альбом Леди Гаги

Писатель Сергей Кумыш рассказал, что захотела сказать миру Леди Гага на этот раз

РБК
Прибрать к рукам добавленную стоимость Прибрать к рукам добавленную стоимость

Мы вполне можем получить намного более сильную и сложную промышленность

Эксперт
Как будет выглядеть «марсианский город» на Земле Как будет выглядеть «марсианский город» на Земле

По-настоящему впечатляющий концепт филиала Марса на Земле

National Geographic
Киригами помогло вырезать из нитрида кремния наноразмерные подвижные «лепестки» Киригами помогло вырезать из нитрида кремния наноразмерные подвижные «лепестки»

Новые наноразмерные структуры пригодятся в МЭМС-устройствах

N+1
#инструктаж: как сделать кроссовки белыми снова #инструктаж: как сделать кроссовки белыми снова

Как самостоятельно избавить белые кроссовки от грязи, потемнений и желтых пятен?

РБК
Не жалея ни женщин, ни детей Не жалея ни женщин, ни детей

Процесс по делу об айнзацгруппах в Нюрнберге

Дилетант
Хинь да зрятина Хинь да зрятина

Горький в повести «В людях» заставляет ощутить беспросветную тщетность жизни

Наука и жизнь
Как полотна Рубенса, Ван Дейка и Йорданса оказались в маленьком уральском городе Как полотна Рубенса, Ван Дейка и Йорданса оказались в маленьком уральском городе

Какие редкости хранятся в маленьком городке Ирбит

Культура.РФ
Ручная стыковка Ручная стыковка

10 лучших вариантов для транзитных путешествий во время длинных пересадок

National Geographic Traveler
Новые карты раскрыли детали давно утонувшего континента Зеландия Новые карты раскрыли детали давно утонувшего континента Зеландия

Самая верхняя точка этого утонувшего континента называется Новой Зеландией

National Geographic
«Я донор, и это очень классно»: предприниматели о том, почему они регулярно сдают кровь «Я донор, и это очень классно»: предприниматели о том, почему они регулярно сдают кровь

Истории трех бизнесменов, которые уже выбрали донорство

Forbes
Как устроен бункер под Белым домом, в котором спрятался Трамп в начале волнений в США Как устроен бункер под Белым домом, в котором спрятался Трамп в начале волнений в США

Последний раз этот бункер использовали во время терактов 11 сентября

Maxim
Скульптор Антон Иванов Скульптор Антон Иванов

Созданные Антоном Ивановым произведения стали достоянием отечественной культуры

Наука и жизнь
Каких размеров самое маленькое в мире яйцо динозавра? Каких размеров самое маленькое в мире яйцо динозавра?

Крохотная, но невероятно ценная находка из Японии

National Geographic
Уроки пандемии: как выйти из самоизоляции и не сойти с ума Уроки пандемии: как выйти из самоизоляции и не сойти с ума

Разбираемся, как вернуться в норму после длительного сидения дома

РБК
Данные «Спектра-РГ» помогли создать еще более захватывающую карту Вселенной в рентгеновских лучах Данные «Спектра-РГ» помогли создать еще более захватывающую карту Вселенной в рентгеновских лучах

Похоже, грядет революция в рентгеновской астрономии

National Geographic
Жизнь в нестабильной среде подготовила инвазивного рачка к захвату пресных вод Жизнь в нестабильной среде подготовила инвазивного рачка к захвату пресных вод

Подспорье при освоении пресных водоемов

N+1
Медвежья заслуга Медвежья заслуга

Сорок лет назад наша страна на неделю забежала прямо в будущее

Tatler
Как начать больше двигаться каждый день и прийти в форму без тренировок Как начать больше двигаться каждый день и прийти в форму без тренировок

Несложные способы добавить больше движения в свою жизнь

РБК
«Я совсем не радикальная феминистка» «Я совсем не радикальная феминистка»

Юлдус Бахтиозина о своем фильме «Дочь рыбака» и татарском барокко

Weekend
Поднять всех наверх: грандиозные клады ХХI века Поднять всех наверх: грандиозные клады ХХI века

Далеко не все некогда потерянные или спрятанные богатства были обнаружены

Популярная механика
11 лучших песен на тарабарских и выдуманных языках 11 лучших песен на тарабарских и выдуманных языках

Иногда тебя может прославить гениальное «Бдум-бдум-бдум ша-лала-бдыщ»

Maxim
Вселенная как полыхающий лес Вселенная как полыхающий лес

Академик Валерий Рубаков — о достижениях и проблемах современной космологии

Эксперт
Монстр на колесах: на что способен самый большой в мире грузовик Монстр на колесах: на что способен самый большой в мире грузовик

Он размером с большой дом, а в его кузове поместится детская площадка

Популярная механика
О рыбачке и рыбке О рыбачке и рыбке

Как русская уха покорила Францию

Огонёк
Жди меня, но где? Жди меня, но где?

Стихотворение Симонова «Жди меня» самое известным в советской военной поэзии

Полка
Сладкие деньги: невероятная история шоколада Сладкие деньги: невероятная история шоколада

История шоколада начинает свой отсчет в Латинской Америке

Популярная механика
Открыть в приложении