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

Достопримечательность города Достопримечательность города

Бордели с человекоподобными куклами – новый тренд или это уже слишком?

Playboy
Пора очищать свои социальные сети от старого контента Пора очищать свои социальные сети от старого контента

Природа же очистилась, настала очередь твиттера, инстаграма и фейсбука

GQ
Альянсы и союзы Альянсы и союзы

Первая часть ответов на вопросы об альянсах союзников против нацистской Германии

Дилетант
Почему детям нужны разочарования и как помочь с ними справиться Почему детям нужны разочарования и как помочь с ними справиться

Чего мы лишаем детей, когда не даем им почувствовать разочарование

Psychologies
Ударим субсидиями по мораторию Ударим субсидиями по мораторию

Государство анонсировало масштабную программу поддержки жилищного строительства

Эксперт
Семечки не работают: как мотивировать сотрудников после окончания карантина Семечки не работают: как мотивировать сотрудников после окончания карантина

Как руководители смогут мотивировать сотрудников в мире после пандемии

Forbes
Точка разрыва Точка разрыва

Рынок нефти переживает беспрецедентный профицит предложения

Эксперт
Манграм предрекли вымирание из-за антропогенного повышения уровня моря Манграм предрекли вымирание из-за антропогенного повышения уровня моря

Повышение уровня моря станет угрозой мангровым лесам к 2050 году

N+1
Покупай, подорожало! Покупай, подорожало!

Ажиотажный спрос на бытовую технику приведет к перенасыщению и стагнации рынка

Эксперт
Как организовать досуг для ребенка в городе. Советы педагога Как организовать досуг для ребенка в городе. Советы педагога

Как организовать жизнь с ребенком в городе летом

СНОБ
С места наверх С места наверх

Настоящая история человека, который первым на Земле просто взял и полетел

Популярная механика
Что читать на выходных: отрывок из книги Жюдит Дюпортей «Любовь по алгоритму. Как Tinder диктует, с кем нам спать» Что читать на выходных: отрывок из книги Жюдит Дюпортей «Любовь по алгоритму. Как Tinder диктует, с кем нам спать»

Как Жюдит Дюпортей брала интервью у сооснователя Тиндера

Esquire
10 главных заблуждений и фактов о наркотиках 10 главных заблуждений и фактов о наркотиках

Главные заблуждения о психоактивных веществах и зависимости от них

Популярная механика
Стритвир с человеческим лицом: что нужно знать о Мэттью Уильямсе, основателе 1017 Alyx 9SM и новом креативном директоре Givenchy Стритвир с человеческим лицом: что нужно знать о Мэттью Уильямсе, основателе 1017 Alyx 9SM и новом креативном директоре Givenchy

Что стоит знать о новом креативном директоре Givenchy

Esquire
«Водопад денег не остановился»: как Тимати, Моргенштерн и другие рэперы зарабатывают без концертов «Водопад денег не остановился»: как Тимати, Моргенштерн и другие рэперы зарабатывают без концертов

Кому из рэперов кризис сыграл на руку и к чему готовиться любителям хип-хопа

Forbes
В черном, белом, нарядном и без штанов: как в разное время выходили на протесты В черном, белом, нарядном и без штанов: как в разное время выходили на протесты

Как одежда становилась символом сопротивления

Esquire
Все, что нельзя Все, что нельзя

Как следовать модной практике, при этом не переедать и отлично выглядеть

Vogue
Зиннят Акбашев: «Не нужно разбрасываться гостями» Зиннят Акбашев: «Не нужно разбрасываться гостями»

Зиннят Акбашев никогда не мечтал о карьере в ресторанном бизнесе

Bones
Обаятельный боец Обаятельный боец

Как Даниил Медведев стал звездой мирового тенниса и героем рекламных кампаний

Forbes
Вместо дачи на гонки: как “Нива” гоняла в “Дакаре” Вместо дачи на гонки: как “Нива” гоняла в “Дакаре”

История раллийной “Нивы” во времена аутентичного “Дакара”

Популярная механика
Жизнь после Жизнь после

Как сложилась судьба участников популярного музыкального реалити?

Cosmopolitan
Древних индейцев уличили в курении сумаха Древних индейцев уличили в курении сумаха

Использование тонизирующих растений — важная часть культуры коренных американцев

N+1
Крид, Загитова, Элджей: самые молодые российские звезды в рейтинге Forbes Крид, Загитова, Элджей: самые молодые российские звезды в рейтинге Forbes

Самые молодые участники рейтинга 40 самых успешных звезд России по версии Forbes

Forbes
Как группа Intelligency из Белоруссии записала трек «Август», ставший одним из главных хитов TikTok Как группа Intelligency из Белоруссии записала трек «Август», ставший одним из главных хитов TikTok

Фронтмен Intelligency рассуждает о том, можно ли запланировать успех

Esquire
Возвращение волков в Йеллоустон помогло ивам стать выше Возвращение волков в Йеллоустон помогло ивам стать выше

Реинтродукция волков в Йеллоустон привела к восстановлению ивовых зарослей

N+1
Жуть Юрского периода: 10 самых опасных динозавров Жуть Юрского периода: 10 самых опасных динозавров

Насколько сильно нам врут в кино, показывая агрессивных и опасных динозавров?

Maxim
12 людей, поневоле ставших известными писателями 12 людей, поневоле ставших известными писателями

Иногда, чтобы стать классиком, достаточно сломать ногу

Maxim
Обнюхано. Мин нет: как работают собаки-саперы Обнюхано. Мин нет: как работают собаки-саперы

Четвероногим саперам безработица не грозит

Популярная механика
В факторы риска преждевременной смерти включили психологические и социальные факторы В факторы риска преждевременной смерти включили психологические и социальные факторы

Риск смерти выше у разведенных или тех, кто не был доволен своей жизнью

N+1
Чек-лист для Сахалина: 5 туристических жемчужин далекого острова Чек-лист для Сахалина: 5 туристических жемчужин далекого острова

Что посмотреть на Сахалине: чек-лист

РБК
Открыть в приложении