Российские исследователи создали материал, который имеет самую высокую температуру плавления среди всех известных на данный момент веществ. Новое соединение авторы планируют использовать в качестве конструкционного материала для ракетостроения. Исследование опубликовано в журнале Ceramics International.
Аэрокосмическая отрасль движется вперед, из-за чего требования к конструкционным материалам летательных аппаратов возрастают. Ракеты должны быть быстрыми, износостойкими, при этом стоимость их производства должна снижаться. В связи с этим исследователи со всего мира стараются разработать многоразовые ракеты-носители наподобие аппаратов SpaceX.
«На сегодня специалисты достигли значительных результатов в разработке такого рода аппаратов. Выяснено, например, что уменьшение радиуса скругления острых передних кромок крыльев до нескольких сантиметров повышает подъемную силу и маневренность, а также снижает аэродинамическое сопротивление. Но при выходе из атмосферы и повторном входе поверхность крыльев разогревается и их температура может повышаться до 4000 °С. Поэтому для таких аппаратов важно разрабатывать новые термостойкие материалы с высокой температурой плавления», — рассказывает один из авторов работы, директор научно-исследовательского центра «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Дмитрий Московских.
Теперь исследователи из Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН и НИТУ «МИСиС» представили материал, имеющий рекордно высокую температуру плавления и хорошие механические свойства. Для создания термостойкой керамики исследователи протестировали несколько составов карбонитрида гафния (HfCxNy), так как ранее другие ученые, используя метод молекулярной динамики, предсказали, что это соединение будет иметь высокую теплопроводность, устойчивость к окислению и самую высокую температуру плавления среди всех известных соединений — около 4200 °С.
Используя метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, исследователи НИТУ «МИСиС» смогли получить состав HfC0.5N0.35. Это соединение очень близко к рассчитанному в теории составу, имеющему твердость в 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).
Такой керамический «сэндвич» исследователи подключали к мощному аккумулятору с помощью молибденовых электродов. Затем под высоким вакуумом ученые нагревали материал до температуры выше 4000 °С. Из-за разного сечения графитовой пластины исследователи смогли достичь предельной температуры только в самой узкой ее части. При одновременном нагреве карбонитрида и карбида гафния оказалось, что карбонитрид обладает более высокой температурой плавления, чем его конкурент.
Однако на сегодня точную температуру плавления нового материала выше 4000 °С определить не удалось из-за трудностей воссоздания таких температурных нагрузок в лабораторных условиях. В будущем исследователи планируют провести измерения температуры плавления методом высокотемпературной пирометрии при плавлении лазером или электрическим сопротивлением.