Керамический материал, который обладает самой высокой температурой плавления среди всех известных соединений, удалось разработать группе ученых НИТУ МИСиС. 
 
В ходе реализации проекта "Синтез и искровое плазменное спекание сверхвысокотемпературной керамики для аэрокосмической промышленности" удалось получить соединение HfC0.5 N0.35 (карбонитрид гафния). Предполагается, что температура его плавления составит свыше 4200 °C, однако более точный показатель установить не удалось, так как имитировать такие температурные нагрузки в лабораторных условиях очень сложно. Но то, что она выше, чем у какого-либо другого материала, удалось установить точно, поскольку предыдущий "рекордсмен", подвергнутый температурному воздействию вместе с ним, расплавился.
 
Ученые уверены, что материал будет востребован в аэрокосмической отрасли, для создания наиболее теплонагруженных элементов летательных аппаратов - головных обтекателей, передних кромок крыльев и воздушно-реактивных двигателей. Предполагается, что он может быть как добавкой для получения улучшенных композиционных материалов, так и покрытием.
 
Через трения к звездам
 
Открытие, как признаются авторы, было "предсказано" еще в 2015 году. Тогда, используя современную компьютерную технику для моделирования физических процессов на атомном уровне, исследователи из Университета Брауна (США) заявили, что самую высокую температуру плавления будет иметь материал, изготовленный из гафния, углерода и азота (Hf-C-N). И рассчитали, что она составит более 4200 °C. "Преимущество вычислительного подхода в том, что мы можем дешево попробовать множество различных комбинаций и найти те, с которыми стоит поэкспериментировать в лаборатории", - пояснил тогда доцент кафедры инженерии американского вуза Аксель ван де Валле.
 
Попробовать решили в России. Взяв за основу эту тройную систему, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) отечественные исследователи получили своего "рекордсмена". В ходе проекта ученые сравнили плавкость исходного карбида гафния (температура плавления - 3990 °C) и полученного карбонитрида гафния. В глубоком вакууме был проведен их одновременный нагрев. В результате карбид оплавился, а карбонитрид остался неизменным.
 
Заявка на получение патента РФ уже отправлена, сообщил "Эксперту" директор Научно-исследовательского центра "Конструкционные керамические наноматериалы" НИТУ МИСиС Дмитрий Московских.
 
По его словам, реализация проекта - их собственная инициатива, а финансирует его Российский научный фонд. Сфера применения материала понятна из названия проекта - аэрокосмическая.
 
Главная задача при создании гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) - разработка и модернизация воздушно-реактивных двигателей, носовых обтекателей и острых передних кромок крыльев. "Возникает необходимость в приобретении и накоплении фундаментальных знаний о свойствах и поведении тугоплавких материалов в условиях сверхвысоких температур", - отмечает г-н Московских. Например, на краях "затупленных" передних кромок и на хвостовом оперении таких ГЛА многоразового пользования, как "Буран" и Space Shuttle, наблюдались температуры порядка 1600 °С. Для их теплозащиты использовались углерод-углеродные композиты с карбидокремниевой матрицей. Они обладают хорошей стойкостью к окислению, но сегодня этого недостаточно.
 
По словам ученого, в будущем планируется уменьшить радиус скругления передних кромок ГЛА до нескольких сантиметров. Это приведет к увеличению подъемной силы и маневренности, а также уменьшит аэродинамическое сопротивление. "Но во время выхода-входа в атмосферу при скорости от 6 до 10 Маха на поверхности кромок будет порядка 2000 градусов, а на самом краю - 4000 градусов Цельсия, - уточняет он. - Поэтому для прорыва в аэронавтике необходимо разработать конструкционные материалы, которые будут работать в условиях сверхвысоких температур при аэродинамическом нагреве высокоскоростными потоками воздуха".
 
Как повышать температуру
 
Отметим, что получением сверхтугоплавких материалов в России занимаются несколько научных центров.
 
В 2017 году было объявлено, что ученые из Института ядерной физики имени Г. И. Будкера совместно с коллегами из Института химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ) разработали новую технологию получения изделий из карбида гафния - метод электроннолучевой сварки. Но речь все-таки идет о двух разных материалах - карбиде гафния и карбонитриде гафния, пояснил "Эксперту" старший научный сотрудник ИХТТМ Алексей Анчаров. По его словам, основной задачей их исследований было получение компактного материала с малой работой выхода электронов. Это позволяет создать высокоэффективные катоды для ускорителей электронов и отводить тепловую энергию от энергетически нагруженных элементов ГЛА.
 
Несмотря на значимость достижения, ученым из МИСиС предстоит еще много работы, уточняют их коллеги. "Доказательством получения нового материала должна служить дифрактограмма и точные измерения температуры плавления", - отметил Алексей Анчаров.
 
Это лишь вопрос времени, полагает Дмитрий Московских. По его словам, в скором времени совместно с Объединенным институтом высоких температур РАН планируется расплавить карбонитрид гафния лазером, одновременно проводя измерения теплофизических свойств этого материала.
 
В свою очередь завкафедрой химической технологии и новых материалов химфака МГУ Виктор Авдеев обращает внимание, что сейчас можно вести речь о том, что в результате было получено все-таки пока еще "вещество". "Материалом оно станет, когда найдет конкретное применение", - считает г-н Авдеев. По его мнению, сферой применения вещества может стать не только космонавтика. "Может оказаться, что необходимость в нем возникнет для производства лопаток различных энергетических установок, при изготовлении которых учитываются не только температура, но и коэффициент расширения как самого высокотемпературного покрытия, так и материала, на который оно наносится", - уточняет он.

Сергей Куликов

Источники

Гипертемпература для гиперзвука
Эксперт, 01/06/2020
Гипертемпература для гиперзвука
Эксперт (expert.ru), 01/06/2020
Гипертемпература для гиперзвука
Союз авиапроизводителей России (aviationunion.ru), 03/06/2020

Похожие новости

  • 06/06/2017

    Ученые СО РАН за несколько минут расплавили самый тугоплавкий материал

    Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера совместно с коллегами из Института химии твердого тела и механохимии разработали новую технологию получения изделий из карбида гафния - самого угоплавкого материала в мире.
    2498
  • 09/07/2021

    Год науки и технологий/Наука и университеты: Специализированные учебные научные центры погружают детей в прикладную науку

     В Год науки и технологий Правительство РФ внесло на рассмотрение Государственной Думы законопроект о финансировании специализированных учебных научных центров (СУНЦ) из федерального бюджета, а не через систему грантов, как это было раньше.
    1157
  • 13/09/2019

    Найден способ усилить безопасность при перевозке радиоактивных отходов

    ​Современные технологии требуют новых материалов, все более усовершенствованных, мультифункциональных, с теми или иными ярко выраженными свойствами. Специалисты Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (ИХТТМ СО РАН) совместно с Институтом ядерной физики им.
    1008
  • 21/10/2019

    Как делают науку в Сибири

    Чем живет сибирская наука? Обычно мы слышим об ученых либо в связи с прорывными и особо интересными открытиями. Либо благодаря созданию новых научных объектов, таких как ЦКП СКИФ. Либо, как это ни печально, из-за каких-либо конфликтов.
    2082
  • 16/02/2021

    День российской науки — 2021

    Традиционно в честь Дня российской науки сибирские институты проводят просветительские мероприятия для студентов, школьников и всех, кто желает узнать чуть больше о большой науке. ​«Этот год был объявлен годом науки и технологий.
    7069
  • 01/02/2021

    ИК СО РАН запустил еженедельный онлайн-семинар для будущих пользователей ЦКП «СКИФ»

    Лаборатория перспективных синхротронных методов исследования (ЛПСМИ) Института катализа СО РАН провела первую серию семинаров для объединения потенциальных отечественных пользователей ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» и обмена опытом по использованию синхротронного излучения (СИ) в различных областях науки.
    1178
  • 29/03/2021

    Российская наука, американский бизнес, китайская клиника

    Нейтронный источник для бор-нейтронозахватной терапии рака разработали ученые Института ядерной физики им. Г. И. Будкера Сибирского отделения РАН в сотрудничестве с американской компанией TAE Life Sciences.
    847
  • 24/12/2019

    Выбор РИА Новости: главные достижения российской науки 2019 года

    ​Ученые в России в нынешнем году получили знаковые результаты в самых разных областях – от астрономии до археологии, причем многие достижения имеют выходы на практическое применение. Примечательно, что существенную лепту здесь внесли не только признанные научные центры, но и ведущие отечественные вузы.
    2983
  • 15/01/2021

    Академику Александру Скринскому 85 лет

    Александр Николаевич Скринский родился 15 января 1936 года в Оренбурге.  В 1959 году окончил Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова — красный диплом получил из рук Н.С. Хрущева, посетившего выпускной вечер в Университете.
    890
  • 15/11/2019

    Татьяна Голикова: «Привычное название СКИФ»

    ​Заместитель председателя правительства России рассказала на Общем собрании членов РАН о мерах государственной поддержки развития науки на ближайшие годы.  Выступая перед членами Академии, вице-премьер Татьяна Алексеевна Голикова сказала: «Я знаю, что Общее собрание посвящено не только выборам членов РАН, оно затрагивает и содержательные вопросы развития российской науки… Президент страны впервые, наверное, за современную ее историю объявил науку в качестве национального приоритета, и это, безусловно, получило поддержку в ее финансовом обеспечении».
    2599