Дата публикации: 02.06.2020
Создание карбида гафния в университете Брауна (США), где и были предсказаны феноменальные свойства тогда ещё гипотетического карбонитрида гафния.
Мы постоянно рассказываем о достижениях иностранных и международных мировых сообществ исследователей и инженеров. Но жива ли российская наука? Есть ли у неё громкие победы? Оказывается – да. Пусть немного, но зато они – в лучших традициях!
Об одной такой мы сейчас и поведаем. Если вкратце, то… заказала однажды миссис Ниту российским учёным создать самый тугоплавкий материал в мире. Те собрались на симпозиум, плавно перешедший в корпоратив, ну и, как водится, понамешали всего. А наутро давай вспоминать как зажигали, отжигали, одним словом, жгли. ...И смеялись, смеялись, смеялись… Смеялись, пока не вспомнили всё, что натворили. Теперь у них научное похмелье в виде новой задачи: как всё-таки измерить температуру плавления у результата своего озарения?
Ну, шутки – шутками, а прецедент действительно таков: группа учёных НИТУ «МИСиС» разработала керамический материал с настолько высокой температурой плавления, что в лабораторных условиях измерить её не получается. И, кстати, предварительные тесты намекают на то, что самый жароустойчивый материал из известных до этого времени уступает в тугоплавкости новому соединению. И с показателями устойчивости механическим нагрузкам дело обстоит так же. Жутко крепкий и не менее страшно названый диборид гафния-карбид кремния-диселенид тантала обладает твёрдостью чуть больше 18 ГПа, а прежний фаворит диборид циркония-карбид кремния – немногим меньше 21 ГПа. В то время как новый чемпион, скромняга карбонитрид гафния (HfC0,5N0,35), выдаёт значения предельных нагрузок сопротивления внедрению более твёрдого тела в 21.3 ГПа.
Несмотря на то, что отличие от показателей твёрдости предыдущего рекордсмена тугоплавкости далёкому от науки человеку может показаться весьма скромным (как-никак, эта разница даже до половины паскаля не дотягивает), а создание материала с высочайшей температурой плавления и высокими механическими свойствами было не побочным эффектом, а прямой задачей учёных, всё-таки не стоит преуменьшать это достижение. Большой технологический прогресс строится на небольших научных и инженерных победах и не делается в одиночку. Научный мир взаимосвязан, а обособленность в нём губительна. И описываемое открытие наглядно это подтверждает: тройная система гафний-углерод-азот была выбрана в качестве кандидата, способного удовлетворить поставленной цели, неслучайно. Дело в том, что ранее, опираясь на метод молекулярной динамики, учёные из университета Брауна (США) сделали теоретический вывод, что именно это соединение будет обладать высокими теплопроводящими характеристиками, стойкостью к окислению и температурой плавления около 4200°С, самой высокой среди всех известных тогда соединений. Повторим: это в теории; сама идея высказана в 2015 году. И заслуга наших учёных в том, что они смогли эту сказку сделать былью.
С опорой на метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, в лабораториях Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» было произведено кратковременное, продолжительностью в 5 минут, высокоэнергетическое дробление порошков гафния и углерода с последующим сжиганием механически индуцированных композитных частиц Hf/C в атмосфере азота. Полученный порошок HfC0,5N0,35 имеет кристаллическую структуру каменной соли с параметром решётки менее половины нанометра. Затем, десятиминутное спекание в искровой плазме при постоянном давлении 50 МПа и 2000°С, укрепило связи в соединении (ознакомиться с подробностями и результатами можно в журнале Ceramics International). Полученный объёмный керамический материал обладает уникальным сочетанием физических, механических и термических свойств: теоретическая плотность – 98%, твёрдость по Виккерсу, как уже сказано – 21,3 ГПа, вязкость разрушения – 4,7 МПа*м1/2, а термостойкость – более 4000°С.
«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“. Но уж если мы с вами помним, что всё познаётся в сравнении, то учёные умы – и подавно. Поэтому было решено сопоставить температуры плавления карбида гафния (прежнего чемпиона по тугоплавкости) и синтезированного на его основе соединения путём одновременного их нагрева. «Для этого мы размещали спрессованные образцы на графитовой пластине, имеющей форму гантели, сверху накрывали аналогичной пластиной, чтобы избежать тепловых потерь», – поясняет аспирант.
В глубоком вакууме через молибденовые электроды ток мощного аккумулятора практически без потерь стал прогревать полученный «сэндвич». А поскольку у графитовых пластин предусмотрены разные сечения, то максимальную температуру можно было распознать по самым узким их местам, к которым и было приковано внимание исследователей. Результаты теста гласят: карбид гафния сдался раньше. Одновременный нагрев обоих исследуемых материалов однозначно провозгласил нового чемпиона: карбонитрид гафния обладает более высокой температурой плавления, чем любой другой известный науке материал.
Новый герой HfC0,5N0,35 представляется долгожданным гостем там же, где трудятся и его чуть менее выносливые коллеги – в узлах летательных аппаратов с наибольшими термонагрузками. Это и носовые обтекатели, и воздушно-реактивные двигатели, и острые передние кромки крыльев, разогревающиеся во время работы до показателей более 2000°С.
Повышение требований к летательным аппаратам вследствие активного развития аэрокосмической отрасли ставит перед инженерами всё более серьёзные задачи. Машины должны быть быстрее и более износостойкими, чем раньше, а затраты на их производство и обслуживание должны снижаться. Активную разработку воздушно-космических самолётов (ВКС) многоразового пользования ведут передовые космические агентства мира. Применение этой техники существенно снизит стоимость полётов и сократит интервалы между рейсами.
«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.
Карбонитрид гафния вполне способен справиться с таким терморежимом. Однако пока что замерить точную температуру плавления нового материала не получилось —лабораторные условия не рассчитаны на температуры выше 4000°С, так что имитация этих нагрузок крайне непростая задача. Но, как говорится, лиха беда начало! В новых экспериментах коллектив планирует провести высокотемпературную пирометрию в условиях лазерного плавления или электрического сопротивления. По задумке, эти и другие подобные подходы позволят-таки замерить температуру плавления. Ну и, самое главное, необходимо изучить «работоспособность» полученного соединения на практике – в гиперзвуковых условиях. По результатам как раз этих проверок будет понятна дальнейшая судьба нового чемпиона тугоплавкости в аэрокосмической и прочих сферах промышленности.
По материалам МИСиС