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 HfC0.5N0.35 (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.

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".

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 электронно-лучевой 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