известной температурой плавления» src=»/wp-content/uploads/2020/05/77fbf54ed8bd9ffc3e26b0510e7875a5.jpg» class=»aligncenter» />
Благодаря уникальному сочетанию физических, механических и термических свойств, материал перспективен для использования в наиболее теплонагруженных узлах летательных аппаратов
Группа ученых НИТУ «МИСиС» разработала керамический
материал с самой высокой температурой плавления среди всех
известных на данный момент соединений. Благодаря уникальному
сочетанию физических, механических и термических свойств,
материал перспективен для использования в наиболее
теплонагруженных узлах летательных аппаратов – носовых
обтекателях, воздушно-реактивных двигателях и острых передних
кромках крыльев, работающих при температурах выше 2000 °С.
Результаты исследования опубликованы в
журнале Ceramics
International.
Активное развитие аэрокосмической отрасли предъявляет все более
серьезные требования к летательным аппаратам: они должны быть
быстрыми, износостойкими, должны снижаться затраты на
производство и обслуживание. Многие ведущее космические агентства
(НАСА, ЕКА (Европа), а также агентства Японии, Китая и Индии)
ведут активную разработку таких летательных аппаратов
многоразового пользования – воздушно-космических самолетов (ВКС),
применение которых позволит существенно снизить стоимость
доставки людей и грузов на орбиту, а также сократить временные
интервалы между полетами.
«В настоящее время достигнуты значительные результаты в
разработке подобных аппаратов. Например, уменьшение радиуса
скругления острых передних кромок крыльев до нескольких
сантиметров приводит к значительному увеличению подъёмной силы и
маневренности, а также уменьшает аэродинамическое сопротивление.
Однако при выходе из атмосферы и повторном входе, на поверхности
крыльев ВКС могут наблюдаться температуры порядка 2000 °С, а на
самом краю – 4000 °С. Поэтому, когда речь заходит о подобных
летательных аппаратах, возникает вопрос, связанный с созданием и
разработкой новых материалов, способных работать при столь
высоких температурах», – комментирует директор
научно-исследовательского центра «Конструкционные керамические
наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Дмитрий Московских.
В ходе последних разработок задачей ученых Центра был создан
материал с рекордно высокой температурой плавления и высокими
механическими свойствами. В качестве кандидата была выбрана
тройная система гафний-углерод-азот, карбонитрид гафния (Hf-C-N),
так как ранее учеными из университета Брауна (США) методом
молекулярной динамики было предсказано, что
карбонитрид гафния будет обладать высокой теплопроводностью и
стойкостью к окислению, а также самой высокой температурой
плавления среди всех известных соединений (примерно 4200 °С).
При помощи метода самораспространяющегося высокотемпературного
синтеза ученым НИТУ «МИСиС» удалось получить
материал HfC0.5N0.35, (карбонитрид
гафния) близкий к теоретическому составу, с высокой твердостью
21.3 ГПа, которая не уступает другим новым перспективным
материалам, таким как ZrB2/SiC (диборид
циркония-карбид кремния) (20.9 ГПа) и
HfB2/SiC/TaSi2 (диборид гафния-карбид
кремния-диселенид тантала) (18.1 ГПа).
«Трудно измерить температуру плавления материала, когда она
превышает 4000 °С, –
комментирует аспирант Вероника
Буйневич, тема исследования которой «Получение
сверхвысокотемпературной керамики на основе карбонитрида гафния
для эксплуатации в экстремальных условиях. –
Поэтому нами было принято решение сравнить температуры плавления
синтезированного соединения и исходного «рекордсмена» – карбида
гафния. Для этого мы размещали спрессованные
образцы HfC и HfCN на
графитовой пластине, имеющей форму гантели, сверху накрывали
аналогичной пластиной, чтобы избежать тепловых потерь».
Полученный «сэндвич» ученые подключали к мощному аккумулятору при
помощи молибденовых электродов. Все испытания проводили в
глубоком вакууме. Так как сечение у графитовых пластин разное, то
максимальная температура была достигнута в самой узкой ее части.
Результаты одновременного нагрева нового материала, карбонитрида
и карбида гафния показали, что карбонитрид обладает более высокой
температурой плавления, чем карбид гафния.
Однако на данный момент конкретную температуру плавления нового
материала выше 4000 °С определить не удалось – очень
трудно имитировать такие температурные нагрузки в лабораторных
условиях. В дальнейшем коллектив планирует провести эксперименты
по измерению температуры плавления методом высокотемпературной
пирометрии при плавлении лазером или электрическим
сопротивлением. Также планируется изучить «работоспособность»
полученного карбонитрида гафния в гиперзвуковых условиях, что
будет актуальным для дальнейшего применения а аэрокосмической
промышленности.
Пресс-служба НИТУ «МИСиС»
Источник: scientificrussia.ru
