Самый жаростойкий материал: Ученые открыли самый жаропрочный материал с температурой плавления выше 4000 градусов Цельсия
Содержание
Ученые открыли самый жаропрочный материал с температурой плавления выше 4000 градусов Цельсия
Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ
Опубликовано автором kornelik
Исследователи из Имперского колледжа в Лондоне (Imperial College of London) обнаружили, что смесь карбида тантала и карбида гафния в определенных пропорциях является материалом, имеющим самую высокую температуру плавления среди всех известных людям материалов. Точка плавления этого композитного керамического материала вплотную приблизилась к отметке в 4 тысячи градусов Цельсия, и это позволит создать на базе такой керамики новый класс жаропрочных материалов, выступающих в качестве тепловой защиты космических кораблей и будущих гиперзвуковых авиалайнеров.
Воспользуйтесь нашими услугами
Карбид тантала (TaC) и карбид гафния (HfC) являются высокостабильными химическими соединениями, способные, помимо чрезвычайно высокой температуры, выдержать еще целый ряд экстремальных неблагоприятных факторов, которые присутствуют в перегретой среде активных зон атомных реакторов, к примеру.
До последнего времени у ученых отсутствовала возможность точного измерения температуры точки плавления композитных керамических материалов на основе карбида тантала и карбида гафния, традиционными методами удавалось измерить лишь температуру точки плавления каждого из этих материалов в отдельности и самых низкотемпературных вариантов их комбинаций.
В своих исследованиях ученые из Лондона использовали чистые карбид тантала, карбид гафния, и три вида их “керамического сплава” Ta1?xHfxC, при x = 0.8, 0.5 и 0.2. А для измерения температур точек плавления этих материалов использовалась специально для этого разработанная технология лазерного нагрева.
Для нагрева керамического материала использовалась последовательность из четырех лазерных импульсов. Первым импульсом был самый низкоэнергетический импульс, длительность которого составляла около 1000 миллисекунд. Мощность каждого последующего импульса увеличивалась, с одновременным уменьшением его длительности на несколько сотен миллисекунд. Такой плавный и многоэтапный разогрев материала был необходим для минимизации возникающих тепловых напряжений в материале и снижения риска механического разрушения испытуемых образцов.
Полученные учеными результаты полностью подтверждают результаты предыдущих исследований. Согласно этим результатам чистый карбид тантала плавится при температуре 3768 градусов Цельсия, а температура плавления карбида гафния составляет 3958 градусов Цельсия. Самую высокую температуру точки плавления имеет композитный керамический материал HfC0.98, который плавится при температуре 3959 градусов Цельсия, и этот материал является самым тугоплавким материалом на сегодняшний день.
В ближайшем времени ученые планируют проведение подобных исследований по отношению к композитным керамическим материалам с другим процентным содержанием исходных компонентов. Кроме этого, планируется произвести исследования материалов, состоящих из четырех типов атомов Ta-Hf-C-N, которые, согласно теории, должны иметь еще большую температуру плавления нежели материалы на основе трех типов атомов Ta-Hf-C.
Воспользуйтесь нашими услугами
Запись опубликована автором kornelik в рубрике Наука, Новости. Добавьте в закладки постоянную ссылку.
© Copyright 2015 — 2050 RPC INTEGRAL Ltd.
Подписка на новости
Ваше имя *
Адрес электронной почты *
×
Подписка на новости
Ваше имя *
Адрес электронной почты *
×
Российские ученые создали самый жаропрочный материал в мире / Хабр
mperemitina
Блог компании НИТУ «МИСиС» Физика Химия
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. С учетом такого количества требований к производительности аппаратов, требуется серьезно совершенствовать качество используемых в них материалов.
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.
«В настоящее время достигнуты значительные результаты в разработке ВКС.
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 было создание 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.
Теги:
- ниту мисис
- материаловедение
- авиация
Хабы:
- Блог компании НИТУ «МИСиС»
- Физика
- Химия
Всего голосов 65: ↑62 и ↓3 +59
Просмотры
26K
Комментарии
94
ВКонтакте
Мария
@mperemitina
PR
Комментарии
Комментарии 94
Установлен новый рекорд для самого термостойкого материала в мире
Открытие прокладывает путь к новым типам теплозащитных экранов. Кредит: НАСА
Исследователи обнаружили, что материалы из карбида тантала и карбида гафния могут выдерживать палящие температуры почти 4000 градусов по Цельсию.
В частности, команда из Имперского колледжа Лондона обнаружила, что температура плавления карбида гафния является самой высокой из когда-либо зарегистрированных материалов. Способность выдерживать температуры почти 4000°C может проложить путь для использования обоих материалов в еще более экстремальных условиях, например, в термостойкой защите для гиперзвуковых космических аппаратов следующего поколения.
Карбид тантала (TaC) и карбид гафния (HfC) представляют собой огнеупорную керамику, что означает, что они чрезвычайно устойчивы к нагреву. Их способность выдерживать чрезвычайно суровые условия окружающей среды означает, что огнеупорная керамика может использоваться в системах тепловой защиты на высокоскоростных транспортных средствах и в качестве оболочки твэлов в перегретых средах ядерных реакторов. Тем не менее, не было доступной технологии для проверки температуры плавления TaC и HfC в лаборатории, чтобы определить, в каких действительно экстремальных условиях они могут функционировать.
Исследователи исследования, опубликованного в журнале Scientific Reports , разработали новый метод экстремального нагрева с использованием лазеров для проверки термостойкости TaC и HfC. Они использовали методы лазерного нагрева, чтобы найти точку плавления TaC и HfC как по отдельности, так и в виде смешанных композиций обоих.
Они обнаружили, что смешанное соединение (Ta0.8Hf0.20C) согласуется с предыдущими исследованиями, плавясь при 3905°C, но два соединения сами по себе превышают зарегистрированные ранее температуры плавления. Соединение TaC плавится при 3768°C, а HfC плавится при 39°C.58°С.
Космическая гонка
Исследователи говорят, что новые открытия могут проложить путь к следующему поколению гиперзвуковых транспортных средств, а это означает, что космические корабли могут стать быстрее, чем когда-либо.
Доктор Омар Седильос-Барраза, который в настоящее время является адъюнкт-профессором Техасского университета в Эль-Пасо, провел исследование, защищая докторскую диссертацию в Департаменте материалов Imperial.
Д-р Седильос-Барраса сказал: «Трение, возникающее при движении со скоростью выше 5 Маха — гиперзвуковые скорости — создает очень высокие температуры. До сих пор TaC и HfC не были потенциальными кандидатами для гиперзвуковых самолетов, но наши новые результаты показывают, что они могут выдерживать даже больше тепла, чем мы думали ранее — больше, чем любое другое соединение, известное человеку.Это означает, что они могут быть полезными материалами для новых типов космических кораблей, которые могут летать через атмосферу, как самолет, прежде чем достичь гиперзвуковой скорости, чтобы выстрелить в космос. Эти материалы могут позволить космическим кораблям выдерживать экстремальное тепло, выделяемое при выходе из атмосферы и повторном входе в нее».
Примеры потенциального использования TaC и HfC могут быть использованы в носовых крышках космических кораблей и в качестве краев внешних инструментов, которые должны выдерживать наибольшее трение во время полета.
В настоящее время транспортные средства, движущиеся со скоростью более 5 Маха, не перевозят людей, но доктор Седильос-Барраса предполагает, что в будущем это может быть возможно.
Д-р Седильос-Барраса добавил: «Наши испытания показывают, что эти материалы действительно многообещающие в разработке космических аппаратов будущего. Способность выдерживать такие экстремальные температуры означает, что миссии с участием гиперзвуковых космических кораблей однажды могут стать пилотируемыми. Например. , полет из Лондона в Сидней может занять около 50 минут на скорости 5 Маха, что может открыть новый мир коммерческих возможностей для стран по всему миру».
Дополнительная информация:
Омар Седильос-Барраза и др. Исследование материалов с самой высокой температурой плавления: исследование лазерного плавления системы TaC-HfC, Scientific Reports (2016). DOI: 10.1038/srep37962
Предоставлено
Имперский колледж Лондон
Цитата :
Установлен новый рекорд для самого термостойкого материала в мире (22 декабря 2016 г.)
получено 15 января 2023 г.
с https://phys.org/news/2016-12-world-lasting-material.html
Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
Установлен новый рекорд для самого термостойкого материала в мире | Имперские новости
Discovery прокладывает путь к новым типам теплозащитных экранов (изображение: НАСА)
Исследователи обнаружили, что материалы из карбида тантала и карбида гафния могут выдерживать палящие температуры почти 4000 градусов по Цельсию.
Эти материалы могут позволить космическим кораблям выдерживать сильное тепло, возникающее при выходе и повторном входе в атмосферу.
– д-р Омар Седильос-Барраса
В частности, команда из Имперского колледжа Лондона обнаружила, что температура плавления карбида гафния является самой высокой из когда-либо зарегистрированных для материала. Способность выдерживать температуры почти 4000°C может проложить путь для использования обоих материалов в еще более экстремальных условиях, например, в термостойкой защите для гиперзвуковых космических аппаратов следующего поколения.
Карбид тантала (TaC) и карбид гафния (HfC) представляют собой огнеупорную керамику, что означает, что они чрезвычайно устойчивы к нагреву. Их способность выдерживать чрезвычайно суровые условия окружающей среды означает, что огнеупорная керамика может использоваться в системах тепловой защиты на высокоскоростных транспортных средствах и в качестве оболочки твэлов в перегретых средах ядерных реакторов. Тем не менее, не было доступной технологии для проверки точки плавления TaC и HfC в лаборатории, чтобы определить, в каких действительно экстремальных условиях они могут функционировать.
Исследователи исследования, опубликованного в журнале Scientific Reports , разработали новый метод экстремального нагрева с использованием лазеров для проверки теплостойкости TaC и HfC. Они использовали методы лазерного нагрева, чтобы найти точку плавления TaC и HfC как по отдельности, так и в виде смешанных композиций обоих.
Они обнаружили, что смешанное соединение (Ta0. 8Hf0.20C) согласуется с предыдущими исследованиями, плавясь при 3905°C, но два соединения сами по себе превышают зарегистрированные ранее температуры плавления. Соединение TaC плавится при 3768°C, а HfC плавится при 39°C.58°С.
Исследователи говорят, что новые результаты могут проложить путь к следующему поколению гиперзвуковых транспортных средств, а это означает, что космические корабли могут стать быстрее, чем когда-либо.
Доктор Омар Седильос-Барраса, который в настоящее время является адъюнкт-профессором Техасского университета в Эль-Пасо, провел исследование, работая над докторской диссертацией в Департаменте материалов Imperial.
Доктор Седильос-Барраса сказал: «Трение, возникающее при движении со скоростью выше 5 Маха — гиперзвуковой скоростью — создает очень высокие температуры. До сих пор TaC и HfC не были потенциальными кандидатами для гиперзвуковых летательных аппаратов, но наши новые результаты показывают, что они могут выдерживать даже больше тепла, чем мы думали ранее, — больше, чем любое другое соединение, известное человеку. Это означает, что они могут быть полезными материалами для новых типов космических кораблей, которые могут летать через атмосферу, как самолет, прежде чем достичь гиперзвуковой скорости, чтобы выстрелить в космос. Эти материалы могут позволить космическим кораблям выдерживать экстремальное тепло, выделяемое при выходе из атмосферы и повторном входе в нее».
Примерами потенциального использования TaC и HfC могут быть носовые крышки космических кораблей и края внешних инструментов, которые должны выдерживать наибольшее трение во время полета.
В настоящее время транспортные средства, движущиеся со скоростью более 5 Маха, не перевозят людей, но доктор Седильос-Барраса предполагает, что в будущем это может быть возможно.
Д-р Седильос-Барраса добавил: «Наши испытания показывают, что эти материалы действительно перспективны в разработке космических аппаратов будущего. Способность выдерживать такие экстремальные температуры означает, что миссии с участием гиперзвуковых космических кораблей однажды могут стать пилотируемыми.
Всего комментариев: 0