Российские ученые создали материал с самой высокой известной температурой плавления в мире

НИТУ "МИСиС", 20 мая 2020 года

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.

Справка о НИТУ «МИСиС»
НИТУ «МИСиС» - один из наиболее динамично развивающихся научно-образовательных центров страны. Находясь в числе лидеров технологического образования России, НИТУ «МИСиС» также представляет собой полноценный научный центр. Университет занимает ведущие позиции в мире в предметных рейтингах THE, QS и ARWU сразу по 13 направлениям, входя в топ-100 в категориях «Инжиниринг–Горное дело» (рейтинг QS) и «Инжиниринг-Металлургия» (рейтинг ARWU), в области материаловедения НИТУ «МИСиС» в группе 101+ лучших вузов (рейтинг QS).

Стратегическая цель НИТУ «МИСиС» к 2020 году укрепить лидерство по направлениям специализации: материаловедение, металлургия и горное дело, а также существенно усилить свои позиции в сфере био-, нанотехнологий и ИТ. В состав университета входит 10 институтов, 6 филиалов – четыре в России и два за рубежом. В НИТУ «МИСиС» учится более 22 000 обучающихся из 81 страны мира. В университете действуют более 30 научно-исследовательских лабораторий и 3 инжиниринговых центра мирового уровня, в которых работают ведущие российские и зарубежные ученые. НИТУ «МИСиС» успешно реализует совместные проекты с крупнейшими высокотехнологичными компаниями России и мира. 


Сообщения компаний:

Аэрофлот перевёз более 1,2 млн пассажиров за новогодние праздники
ПАО "Аэрофлот"

Антропоморфные роботы и новая система подготовки экипажей: космонавты Анна Кикина и Николай Чуб защитили диссертации в МАИ
Московский авиационный институт

Главгосэкспертиза одобрила проект нового аэровокзального комплекса в аэропорту Горно-Алтайск
АО «Аэропорт Горно-Алтайск»

Группа «Аэрофлот» объявляет операционные результаты за декабрь 2025 года
ПАО "Аэрофлот"

AZUR air перевезла более 63 тыс. пассажиров в новогодний период
Авиакомпания AZUR air

Сотрудники ОДК-Кузнецов сдали почти 200 литров донорской крови в 2025 году
ПАО "ОДК-Кузнецов"

Авиакомпания запускает фотоконкурс "Мишколеты Ямала"
Авиакомпания "Ямал"

В новогодние праздники аэропорт «Гагарин» обслужил 244 рейса
АО УК "Аэропорты Регионов"

Аэропорт Елизово обслужил более 23 тысяч пассажиров на новогодних каникулах
АО УК "Аэропорты Регионов"

Международный аэропорт Красноярск подвел итоги работы за 2025 год
Международный аэропорт Красноярск

Двигатели ОДК обеспечили 13 пусков ракет-носителей «Союз-2» в 2025 году
АО «ОДК» ; ПАО «ОДК-Кузнецов»

Назначения в руководстве ПАО «ОАК»
ПАО "ОАК"

Аэропорт Братск подвёл итоги работы в новогодние каникулы
Аэропорт Братск

Иркутский аэропорт в период новогодних праздников обработал 150 ВС
АО "Международный аэропорт Иркутск"

«РТ-Техприемка» зарегистрировала свыше 25 тысяч пользователей на платформе MyBoards
АО "РТ-Техприемка"

Оборудование Госкорпорации Ростех обеспечит надежную навигацию самолетов в трех регионах Арктики
Госкорпорация Ростех

Глава Росавиации проверил работу Домодедово в период новогодних праздников
Московский аэропорт Домодедово

Аэровокзал «Южно-Сахалинск» торжественно принял в команду пушистых инспекторов
АО «Аэровокзал Южно-Сахалинск»

Спасатели аэропорта Внуково подтвердили высокую готовность к чрезвычайным ситуациям
АО "Международный аэропорт "Внуково"

Министр транспорта РФ вручил коллективу аэропорта Домодедово вымпел
Московский аэропорт Домодедово