Группа ученых из НИТУ "МИСиС" разработала керамику с самой высокой температурой плавления. Уникальное сочетание физико-механических и тепловых свойств материала позволяет использовать его в носовых обтекателях, реактивных двигателях и острых передних кромках крыльев. Эти части летательных аппаратов самые теплонагруженные. Работают при температурах выше 2000 градусов С. Результаты отечественных исследований опубликованы в журнале Ceramics International .
Сейчас ведущие мировые космические агентства (НАСА, ЕКА, а также агентства Японии, Китая и Индии) озабочены разработкой многоразовых космических самолетов. Полеты на орбиту должны быть не только безопасными, но и максимально экономными. Основная задача снизить затраты по доставке людей и грузов на орбиту, а так же сократить временные интервалы между полетами.
"Уже достигнуты значительные результаты в разработке таких многоразовых космопланов. Например, уменьшен радиус закругления острых передних кромок крыльев до нескольких сантиметров. Это позволяет значительно увеличить подъемную силу и маневренность, а так же уменьшить аэродинамическое сопротивление. Но при выходе из атмосферы и повторном входе в нее, на поверхности крыльев космоплана можно наблюдать температуру около 2000 градусов С. А у самого края это уже 4000 градусов С. Поэтому для таких самолетов необходимы новые материалы, которые смогут эффективно работать при таких высоких температурах", - говорит Дмитрий Московских, руководитель Центра конструкционных керамических материалов НИТУ "МИСиС".
Ученые искали не только самый тугоплавкий материал. Необходимо было, чтобы он обладал и высокими механическими свойствами. Отечественные разработчики пошли по следам команды из Университета Брауна (США). Они прогнозировали, что карбонитрид гафния будет иметь высокую теплопроводность и стойкость к окислению, а также самую высокую температуру плавления среди всех известных соединений (примерно 4200 ° с). Этот материал был выбран, как исходный. На его основе команда отечественных разработчиков синтезировала новое соединение – карбонитрид гафния.
"Трудно измерить температуру плавления материала, Когда она превышает 4000 градусов С. Поэтому мы решили сравнить температуры плавления синтезированного соединения и исходного чемпиона - карбида гафния. Для этого мы поместили сжатые образцы HFC и HfCN на графитовую пластину в форме гантели, а сверху накрыли аналогичной пластиной, чтобы избежать теплопотерь", - рассказывает аспирант НИТУ "МИСиС" Вероника Буйневич.
Затем с помощью молибденовых электродов ученые подключили эту конструкцию к батарее. Все испытания проводились в глубоком вакууме. Поскольку сечение графитовых пластин различно, максимальная температура была достигнута в самой узкой части. Результаты одновременного нагрева, показали, что карбонитрид гафния имеет более высокую температуру плавления, чем карбид гафния.
Однако, на данный момент удельная температура плавления нового материала составляет более 4000 градусов по Цельсию, но не может быть точно определена в лаборатории. В дальнейшем команда отечественных разработчиков планирует провести эксперименты по измерению температуры плавления методом высокотемпературной обработки пирометрия с использованием лазера или электрического сопротивления. Они также планируют изучить работоспособность полученного карбонитрида гафния в гиперзвуковых условиях, что будет актуально для дальнейшего применения в аэрокосмической промышленности.