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:

Red Wings запускает прямые рейсы из Тюмени в Тбилиси
АО "Ред Вингс"

Авиакомпания «ЮВТ АЭРО» и международный аэропорт «Казань» имени Габдуллы Тукая объявляют «Неделю Тукая»
АО "ЮВТ АЭРО"

Shohin Airlines и Airbus выходят на финальную стадию переговоров
Авиакомпания Shohin Airlines

«РТ-Техприемка» проверила ОНПП «Технология» на соответствие требованиям Ростеха в области качества
АО "РТ-Техприемка"

Двигатели ОДК обеспечили старт ракеты «Союз-2» с космодрома Плесецк
АО «ОДК» ; ПАО «ОДК-Кузнецов»

Аэровокзал «Южно-Сахалинск» представил более востребованные в авиации профессии на Всероссийской ярмарке трудоустройства
АО «Аэровокзал Южно-Сахалинск»

«Подорожник» Ростеха защитит электронику дронов от воздействия РЭБ
Госкорпорация Ростех

Из Международного аэропорта Владивосток открыт рейс в Дананг
АО "Международный аэропорт Владивосток"

Рынок БАС и его точки роста станут ключевой темой конференции «Технологии Геоскана – 2026»
ГК "Геоскан"

Деловой центр Москва-Сити, МЦД-4 и МЦК стали ближе для пассажиров Аэроэкспресса
ООО "Аэроэкспресс"

Андрей Сойнов возглавит Иркутский авиационный завод
ПАО "ОАК"

Аэрофлот впервые открывает прямые рейсы из Минеральных Вод в Стамбул
ПАО "Аэрофлот"

Red Wings возобновляет полеты в Израиль
АО "Ред Вингс"

Школьник из Перми стал призером чемпионата «Построй карьеру в ОДК»
АО "ОДК-СТАР"

Старт «Недели без турникетов»: ОДК-Кузнецов открывает двери для школьников
ПАО «ОДК-Кузнецов»

«Росэл» изготовил опытную партию гибко-жестких плат для бортовых устройств космических аппаратов
Холдинг «Росэл»

Первый отечественный телетрап усовершенствуют по итогам зимних испытаний
Госкорпорация Ростех

Ростех создал линейку унифицированных боевых нагрузок для различных БПЛА
Госкорпорация Ростех

Уборка на автопилоте: за чистоту в аэровокзале «Южно-Сахалинск» теперь отвечает робот-мойщик – Марк 2
АО «Аэровокзал Южно-Сахалинск»

Общая наработка двигателей ПД-8 превысила 6 100 часов
АО "ОДК"