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:

ОДК представит в Дубае передовые авиадвигатели для вертолетов, самолетов и БПЛА
АО "ОДК"

ЦАТ обучит инженеров работе в российских системах проектирования и анализа деталей авиадвигателей
АО «Центр аддитивных технологий»

Международный аэропорт Красноярск готов к зиме: парк спецтехники пополняется новыми машинами
Международный аэропорт Красноярск

AZUR air обеспечила 13000 часов летной подготовки на полнопилотажном тренажере Boeing 757/767
Авиакомпания AZUR air

Объединенная авиастроительная корпорация продемонстрирует ключевые проекты на международном авиакосмическом салоне Dubai Air Show
ПАО "ОАК"

Ростех представит передовые разработки для ПВО на Dubai Airshow 2025
Госкорпорация Ростех

Ростех начал серийное производство «умных» систем наблюдения для ударных дронов
Госкорпорация Ростех

В МАИ стартовал VI Всероссийский форум «Научно-техническое развитие и задачи глобального лидерства»
Московский авиационный институт

Сегодня опытный МС-21 совершил беспосадочный перелет из Иркутска в Жуковский
ПАО "ОАК"

В Якутии запустили регулярные рейсы БПЛА для доставки грузов между населенными пунктами в зимний период
Пресс-центр Республики Саха (Якутия) в Москве

В Госкорпорации Ростех и ОДК отметили наградами успехи студентов трека «Крылья Ростеха»
АО "ОДК"

Быстро. Удобно. Безопасно: Эмирейтс внедряет инновационные технологии распознавания лиц в Международном аэропорту Дубая (DXB)
Авиакомпания Emirates

Международный аэропорт Владивосток и аэропорт Циндао договорились о долгосрочном партнерстве
АО "Международный аэропорт Владивосток"

Эмирейтс открыла в Дубае новый Центр Hospitality Excellence для 25 000 бортпроводников
Авиакомпания Emirates

Школьник из Челябинска создал уникальный дрон для метеомониторинга
Московский авиационный институт

Кировские школьники разработали симулятор сборки БЛА в виртуальной реальности
Московский авиационный институт

Школьник из Сокола разработал акустико-оптическую систему обнаружения БЛА в условиях сложного рельефа
Московский авиационный институт

Открытие выставки «АвиаАрт» в Международном аэропорту Жуковский
Международный аэропорт Жуковский

«Аэроэкспресс» вошёл в число лучших работодателей России 2025 по версии Forbes
ООО "Аэроэкспресс"

Группа «Аэрофлот» увеличивает частоту рейсов из Красноярска в Пекин
ПАО "Аэрофлот"