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

Альянсы и союзы Альянсы и союзы

Первая часть ответов на вопросы об альянсах союзников против нацистской Германии

Дилетант
Черное сокровище Сицилии: виноград, который подойдет для Крыма и Северного Кавказа Черное сокровище Сицилии: виноград, который подойдет для Крыма и Северного Кавказа

Как сицилийский сорт красного винограда стал главным для производства вин

Forbes
Иллюзия успеха Иллюзия успеха

Четыре истории о талантливых мастерах пускать пыль в глаза

Популярная механика
В игре Maneater нужно быть акулой, жрать отдыхающих и развивать свои акульи навыки В игре Maneater нужно быть акулой, жрать отдыхающих и развивать свои акульи навыки

До последнего не верилось, что эта игра вообще выйдет

GQ
Цифровизация под давлением Цифровизация под давлением

Удаленная работа не спасет ИТ-индустрию

Эксперт
10 чудовищных медицинских ошибок 10 чудовищных медицинских ошибок

О частых и страшных оплошностях, которые могут произойти с пациентами

Популярная механика
Точка разрыва Точка разрыва

Рынок нефти переживает беспрецедентный профицит предложения

Эксперт
Дарья Мороз: Артисты тотально психически неуравновешенны Дарья Мороз: Артисты тотально психически неуравновешенны

Дарья Мороз рассказала о том, почему не хочет быть артисткой

СНОБ
Медная река Медная река

Как работает брутальный бизнес Игоря Алтушкина

Forbes
Американская летающая тарелка 1959 года Американская летающая тарелка 1959 года

В XX веке американские военные мечтали построить свою летающую тарелку

Популярная механика
В Сибирь за дипломом В Сибирь за дипломом

Сибирские вузы входят в топы мировых университетов

Эксперт
Как накопить миллион: советы для женщин Как накопить миллион: советы для женщин

Копить и сберегать деньги у женщин получается зачастую лучше, чем у мужчин

Psychologies
Химики подтвердили возможность одновременного появления ДНК и РНК на заре жизни Химики подтвердили возможность одновременного появления ДНК и РНК на заре жизни

Нуклеиновые кислоты обоих типов образовывались в одно и то же время

N+1
Информационная бомба замедленного действия Информационная бомба замедленного действия

Анна Толстова о выставке, впустившей институциональную критику в музей

Weekend
Ополовники узнали родственников по голосу и избежали инцеста Ополовники узнали родственников по голосу и избежали инцеста

Длиннохвостые синицы узнают детей и родителей по голосу и не спариваются с ними

N+1
Как компании, которые вас кормят, спасают планету от пластика. Монологи «Кухни на районе», «Буше», «ВкусВилл», «Готово», Zero Waste Shop, Fresh и «Лавка Edoque» Как компании, которые вас кормят, спасают планету от пластика. Монологи «Кухни на районе», «Буше», «ВкусВилл», «Готово», Zero Waste Shop, Fresh и «Лавка Edoque»

Фуд-индустрия в России осваивает тренд на экоосознанность

Inc.
5 костюмов Музея Большого театра 5 костюмов Музея Большого театра

Пять историй о сценических костюмах легендарных артистов

Культура.РФ
Ложная беременность: обман разума или обман тела? Ложная беременность: обман разума или обман тела?

Какие «игры разума» могут настолько повлиять на физиологию?

Psychologies
Мотошкола по-американски Мотошкола по-американски

Сложно ли в Майами получить права на мотоцикл

Мото
Выживут только платформы Выживут только платформы

Куда движется рынок лонгридов

Эксперт
Синяя или зеленая: Зои Салдана и ее невероятные перевоплощения на экране Синяя или зеленая: Зои Салдана и ее невероятные перевоплощения на экране

Зои Салдана — талантливая актриса, которая еще не достигла карьерного пика

Cosmopolitan
Древнерусские новости Древнерусские новости

«Огонек» прочитал свеженайденные берестяные грамоты

Огонёк
Во всем блеске: как использовать глиттер для макияжа глаз и не только Во всем блеске: как использовать глиттер для макияжа глаз и не только

Лето – самое подходящее время для различных экспериментов с макияжем

Cosmopolitan
Александр Соболев: «Даже один масштабируемый пилот полностью окупает двухлетнюю работу со стартапами» Александр Соболев: «Даже один масштабируемый пилот полностью окупает двухлетнюю работу со стартапами»

Как гибкость стартапов помогает корпоративному миру внедрять новые решения

РБК
Собранная с нуля человеческая печень успешно прижилась у крыс Собранная с нуля человеческая печень успешно прижилась у крыс

Искусственные человеческие органы воспроизвели структуру и функции

N+1
Новые записки Хендрика Груна из амстердамской богадельни Новые записки Хендрика Груна из амстердамской богадельни

Главы из дневника Хендрика Груна — жителя амстердамского дома опеки

СНОБ
«Дорога — это символ»: каким получился новый альбом БГ «Дорога — это символ»: каким получился новый альбом БГ

Как именно БГ чувствует наше общее время

РБК
Живу с мужем, но мечтаю о других Живу с мужем, но мечтаю о других

Что такое комплекс Рыцаря и Негодняя, как он влияет на семейную жизнь?

Psychologies
Ветер с Востока Ветер с Востока

В деле наведения порядка Мари Кондо использует необычные ингредиенты

Добрые советы
Планы выпускников университетов 2020 года Планы выпускников университетов 2020 года

Выпускники вузов об учебе, выбранной профессии и желании реализоваться в России

СНОБ
Открыть в приложении