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:

Сотрудники МГТУ ГА поощрены благодарностью Президента РФ
МГТУ ГА

Аэрофлот выполнил первый рейс в Геленджик
ПАО "Аэрофлот"

«Аэроэкспресс» теперь у самого выхода: новая остановка у терминала Т2 в Домодедово встречает пассажиров международных рейсов
ООО "Аэроэкспресс"

ОДК открыла на уфимском предприятии уникальный центр алюминиевого литья
АО "ОДК"

Уфимскому предприятию ОДК-УМПО вручен орден Александра Невского
АО "ОДК"

У терминала Т2 аэропорта Домодедово заработала новая остановка автобуса Аэроэкспресс
Московский аэропорт Домодедово

Авиакомпания NordStar объявляет о партнерстве с сервисом поддержки пассажиров «Летать здорово»
АО АК "НордСтар"

Авиакомпания Smartavia открыла продажу билетов на рейсы по маршруту Санкт-Петербург-Геленджик
АО "Авиакомпания Смартавиа"

Анталья вошла в число самых популярных направлений в аэропорту Жуковский
Международный аэропорт Жуковский

Red Wings начала продажи билетов из Сочи в Дубай на зимний сезон
АО "Ред Вингс"

На МАИФ – 2025 будет представлен доклады об импортозамещении ПО и инновационных решениях в авиации
РИВЦ-Пулково

Разработанный в МАИ плазменный инжектор поможет изучить ионосферу Земли с МКС
Московский авиационный институт

ГТЛК разместит дебютный выпуск ESG-облигаций серии 002Р-09
АО "ГТЛК"

S7 Airlines увеличит частоту рейсов из Москвы в Махачкалу, Минеральные Воды и Владикавказ
АО "Авиакомпания "Сибирь"

Группа «Аэрофлот» будет выполнять рекордное количество рейсов между Москвой и Калининградом
ПАО "Аэрофлот"

Авиакомпания «Аврора» выполнит дополнительные рейсы из Южно-Сахалинска и Хабаровска в Оху
АО "Авиакомпания "Аврора"

В главном аэропорту Камчатки начала работу обновленная зона парковки
АО УК "Аэропорты Регионов"

Аэрофлот вводит третий ежедневный рейс между Москвой и Геленджиком
ПАО "Аэрофлот"

Премиальный экономический класс Эмирейтс появится на рейсах в Мале и Коломбо
Авиакомпания Emirates

S7 Airlines увеличила частоту рейсов по направлению Новосибирск-Норильск
АО "Авиакомпания "Сибирь"