Установлен новый рекорд для самого термостойкого материала в мире

Jul 11, 2023

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.

– Д-р Омар Седильос-Барраса

В частности, команда 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 открыть путь к использованию 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, то есть они чрезвычайно устойчивы к нагреву. Их способность противостоять чрезвычайно суровым условиям означает, что огнеупорная керамика может использоваться в системах тепловой защиты на высокоскоростных транспортных средствах и в качестве оболочки топлива в перегретых средах ядерных реакторов. Однако не существовало технологии, позволяющей проверить температуру плавления TaC и HfC в лаборатории, чтобы определить, насколько действительно экстремальной средой они могут функционировать.

Исследователи исследования, опубликованного в журнале Scientific Reports, разработали новую технику экстремального нагрева с использованием лазеров для проверки термостойкости TaC и HfC. Они использовали методы лазерного нагрева, чтобы найти точку, в которой плавились TaC и HfC, как по отдельности, так и в виде смеси обоих.

Они обнаружили, что смешанное соединение (Ta0,8Hf0,20C) соответствовало предыдущим исследованиям и плавилось при 3905°C, но сами по себе два соединения превысили ранее зарегистрированные температуры плавления. Соединение TaC плавилось при 3768°C, а HfC плавилось при 3958°C.

Исследователи говорят, что новые результаты могут проложить путь для следующего поколения гиперзвуковых аппаратов, а это означает, что космические корабли могут стать быстрее, чем когда-либо.

Доктор Омар Седильос-Барраса, который в настоящее время является доцентом Техасского университета в Эль-Пасо, проводил исследование, работая над докторской диссертацией на факультете материалов Imperial.

Доктор Седильос-Барраса сказал: «Трение, возникающее при движении со скоростью выше 5 Маха – на гиперзвуковых скоростях – создает очень высокие температуры. До сих пор TaC и HfC не были потенциальными кандидатами на роль гиперзвуковых самолетов, но наши новые результаты показывают, что они могут выдерживать даже большее количество тепла, чем мы думали ранее – больше, чем любое другое соединение, известное человечеству. Это означает, что они могут стать полезными материалами для новых типов космических кораблей, которые смогут летать сквозь атмосферу, как самолет, прежде чем достичь гиперзвуковых скоростей и вылететь в космос. Эти материалы могут позволить космическому кораблю противостоять экстремальному жару, возникающему при выходе из атмосферы и повторном входе в нее».

Примерами потенциального использования TaC и HfC могут быть носовые крышки космических кораблей, а также края внешних инструментов, которые должны выдерживать наибольшее трение во время полета.

В настоящее время транспортные средства, развивающие скорость более 5 Маха, не перевозят людей, но доктор Седильос-Барраса предполагает, что это может стать возможным в будущем.

Доктор Седильос-Барраса добавил: «Наши испытания показывают, что эти материалы действительно перспективны для проектирования 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 со скоростью 5 Маха, что может открыть новый мир коммерческих возможностей для стран по всему миру».