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

ВТБ в девелопменте: есть вещи слаще ренты ВТБ в девелопменте: есть вещи слаще ренты

Сегодня ВТБ является акционером пула крупнейших застройщиков страны

Эксперт
Резонансное дело об изнасиловании дознавательницы Резонансное дело об изнасиловании дознавательницы

Рассказываем, что известно о деле дозновательницы из Уфы

СНОБ
Пот, кровь, слёзы и крест Пот, кровь, слёзы и крест

В конце XI века десятки тысяч людей отправились освобождать Иерусалим

Дилетант
Пальцевый индекс оказался не связан с изменением уровня тестостерона у мужчин Пальцевый индекс оказался не связан с изменением уровня тестостерона у мужчин

Пальцевый индекс оказался не связан с уровнем гормонов во взрослом возрасте

N+1
Точка разрыва Точка разрыва

Рынок нефти переживает беспрецедентный профицит предложения

Эксперт
Стимуляция гипоталамуса ввела мышей в оцепенение Стимуляция гипоталамуса ввела мышей в оцепенение

Нейроны, обеспечивающие спячку, есть даже у тех, кто никогда в нее не впадает

N+1
Прибрать к рукам добавленную стоимость Прибрать к рукам добавленную стоимость

Мы вполне можем получить намного более сильную и сложную промышленность

Эксперт
Инвестиции под арестом: как ослабить силовое давление на венчурный бизнес? Инвестиции под арестом: как ослабить силовое давление на венчурный бизнес?

Какие последствия может иметь силовое давление на венчурных инвесторов?

Forbes
Казаки фюрера Казаки фюрера

Его роман с немцами начался ещё в Гражданскую, а закончился он Второй мировой…

Дилетант
Как малому бизнесу поднять деньги с помощью краудфандинга Как малому бизнесу поднять деньги с помощью краудфандинга

Краудфандинг может быть полезен не только венчурной индустрии

Inc.
Тайна форсажного пламени Тайна форсажного пламени

Что такое форсаж?

Популярная механика
Как успешно пройти онлайн-собеседование Как успешно пройти онлайн-собеседование

Не забывайте про несколько простых правил при прохождении собеседования онлайн

Psychologies
MAXIM рецензирует байопик «Основатель» о создателях сети McDonald's MAXIM рецензирует байопик «Основатель» о создателях сети McDonald's

Каким получился фильм об основании сети McDonald's

Maxim
Какой вышла «Баллада о певчих птицах и змеях» — приквел «Голодных игр» о том, что злодеем может стать каждый хороший человек Какой вышла «Баллада о певчих птицах и змеях» — приквел «Голодных игр» о том, что злодеем может стать каждый хороший человек

История о том, что каждый из нас может стать злодеем

Esquire
«Сегодня я не стану кричать на ребенка». Нужно ли исправлять свои родительские ошибки «Сегодня я не стану кричать на ребенка». Нужно ли исправлять свои родительские ошибки

Отрывок из книги детского психолога Екатерины Кес о трудностях воспитания

Forbes
Правила жизни Лионеля Месси Правила жизни Лионеля Месси

Футболист, Росарио, Аргентина, 33 года

Esquire
Отрывок из книги Элены Ферранте «Незнакомая дочь» Отрывок из книги Элены Ферранте «Незнакомая дочь»

Первые главы книги Элены Ферранте «Незнакомая дочь»

СНОБ
Микроменеджмент еды #2: 20 простых трюков, чтобы питаться здоровее Микроменеджмент еды #2: 20 простых трюков, чтобы питаться здоровее

Не обязательно считать калории и запрещать любимые продукты

Reminder
Программа восстановления лесов в Чили привела к вырубке некоторых лесов под плантации Программа восстановления лесов в Чили привела к вырубке некоторых лесов под плантации

Без вмешательства человека леса запасли бы больше углерода

N+1
Личные данные: что о вас знают Google и Facebook Личные данные: что о вас знают Google и Facebook

Что о вас знают интернет-гиганты и как используют полученную информацию

РБК
Сергей Семак Сергей Семак

Как использует свою медийность главный тренер футбольной команды «Зенит»?

Собака.ru
Пчеловечество в опасности Пчеловечество в опасности

Удастся ли остановить вымирание пчел и как обстоят дела с производством меда

Огонёк
Правила жизни Жака-Ива Кусто Правила жизни Жака-Ива Кусто

Правила жизни французского исследователя Мирового океана Жака-Ива Кусто

Esquire
18 вещей, о которых лучше не думать 18 вещей, о которых лучше не думать

Это список вещей, которыми не должен забивать голову современный мужчина

Maxim
Искусство на замке: Пиотровский, Трегулова, Лошак и Свиблова о главных музеях страны после пандемии Искусство на замке: Пиотровский, Трегулова, Лошак и Свиблова о главных музеях страны после пандемии

Смогут ли музеи компенсировать выпадающие из-за карантина доходы за счет онлайна

Forbes
Бренды веером: 6 марок, которые любят понты Бренды веером: 6 марок, которые любят понты

Эти бренды хотят заставить полюбить их и тебя

Playboy
Фотоэффект подарил ионам обратный импульс Фотоэффект подарил ионам обратный импульс

При фотоионизации ионы получают 3/5 от импульса первоначального фотона

N+1
Какое будущее ждет МКС после исторического запуска SpaceX Какое будущее ждет МКС после исторического запуска SpaceX

Появление нового перевозчика означает, что будущее МКС изменится

Популярная механика
Новые записки Хендрика Груна из амстердамской богадельни Новые записки Хендрика Груна из амстердамской богадельни

Главы из дневника Хендрика Груна — жителя амстердамского дома опеки

СНОБ
«Хроники Люциферазы. Три корабля»: отрывок из книги Натальи О'Шей «Хроники Люциферазы. Три корабля»: отрывок из книги Натальи О'Шей

Роман Натальи О'Шей о космосе, неизведанной планете, любви и преданности

Cosmopolitan
Открыть в приложении