Создан стойкий к окислению материал для авиакосмической техники
Российские ученые разработали ультравысокотемпературную керамику, перспективную для создания покрытий деталей современной авиакосмической техники. Новый метод основан на добавлении карбида тантала-гафния, что позволило повысить стойкость компонентов защитного поверхностного слоя к окислению в сверхзвуковом потоке воздуха.
Совместная работа ученых Института общей и неорганической химии РАН, Института проблем механики РАН, Института металлургии и материаловедения РАН и Российского химико-технологического университета сделала возможным улучшить механические свойства ультравысокотемпературной керамики и уменьшить летучесть компонентов ее защитного поверхностного слоя. Результаты работы опубликованы в октябрьском номере Journal of the European Ceramic Society.
Развитие новых подходов к созданию высокоскоростной и маневренной авиакосмической техники, способной развивать скорости существенно выше скорости звука, связано с разработкой новых материалов, способных выдерживать длительный нагрев до 2000-2500°C. Это значит, что материалы должны сохранять форму при воздействии высоких температур и быть устойчивыми к агрессивному воздействию атомарного кислорода.
Керамические материалы на основе диборида гафния и карбида кремния считаются перспективными для создания ультравысокотемпературной керамики, однако их механические свойства и термостойкость недостаточны для применения в реальных изделиях авиакосмической техники. Во время их окисления на воздухе из-за испарения защитного слоя происходит так называемый «скачок температуры», при котором материал резко нагревается от ~1750-1850°C до 2000-2700°C. При этом деградация керамики резко ускоряется, увеличивается толщина рыхлого приповерхностного слоя, который может уноситься высокоскоростными потоками воздуха или отслаиваться. Этот эффект очень вреден и приводит к постепенному изменению формы детали, снижающему управляемость летательных аппаратов, или даже катастрофическому разрушению.
«Благодаря введению тугоплавкого карбида с высокой температурой плавления (~4000°С) мы «растянули» время испарения поверхностного защитного слоя, когда материал еще не подвергается катастрофическим изменениям», – комментирует главный научный сотрудник Лаборатории химии легких элементов и кластеров ИОНХ РАН Елизавета Симоненко.
Введение менее стойкого к окислению вещества привело к существенному повышению стабильности материала в целом. Создание подобных стойких к окислению материалов востребовано не только для усовершенствования деталей высокоскоростных летательных аппаратов, подверженных воздействию высоких температур, но и для топливных элементов альтернативной энергетики, химической и атомной промышленности, двигателестроении и в других инновационных отраслях техники.
Работа поддержана грантом РФФИ и Министерством науки и высшего образования РФ.