Sviluppato un materiale super resistente al calore

Un team di scienziati del NUST MISIS ha sviluppato un materiale ceramico con il punto di fusione più elevato tra i composti attualmente noti. Grazie a una straordinaria combinazione di proprietà fisiche, meccaniche e termiche, il materiale potrebbe avere un largo utilizzo nella componentistica aerospaziale più soggetta al calore come: carenature, motori a reazione e bordi anteriori di attacco delle ali che operano a temperature superiori ai 2000 gradi C. I risultati sono stati pubblicati su Ceramics International.
La NASA, l’ESA, le agenzie di Giappone, Cina e India stanno sviluppando aerei spaziali riutilizzabili, che ridurranno significativamente il costo dei viaggi nello spazio, oltre a ridurre gli intervalli di tempo tra i voli.
“Attualmente, sono stati raggiunti risultati significativi nello sviluppo di tali componenti. Ad esempio, ridurre il raggio di arrotondamento degli spigoli vivi anteriori delle ali a pochi centimetri porta a un aumento significativo della portanza e della manovrabilità, oltre a ridurre la resistenza aerodinamica. Tuttavia, quando si esce dall’atmosfera e si rientra in essa, sulla superficie delle ali dello spazioplano, si possono registrare temperature di circa 2000 gradi C, con punte di 4000 gradi C. proprio sul bordo. Pertanto, quando si tratta di tali velivoli, c’è una domanda associata alla creazione e allo sviluppo di nuovi materiali che possono lavorare a temperature così elevate“, ha spiegato Dmitry Moskovskikh, capo del Centro NUST MISIS per i materiali ceramici da costruzione.
L’obiettivo degli scienziati del NUST MISIS era quello di realizzare un materiale con un alto punto di fusione ed elevate proprietà meccaniche. Per questo è stato scelto il carbonitruro di afnio (Hf-CN), in quanto gli scienziati della Brown University (USA) avevano predetto in precedenza che questo materiale potrebbe avere un’alta conduttività termica e resistenza all’ossidazione, nonché il massimo punto di fusione tra tutti i composti noti (sfiora i 4200 gradi C).
Gli scienziati del NUST MISIS hanno fatto ricorso a un processo chiamato sintesi auto-propagante ad alta temperatura e hanno ottenuto HfC 0,5 N 0,35, il carbonitruro di afnio, vicino alla composizione teorica, con un’elevata durezza di 21,3 GPa, persino superiore a nuovi materiali come ZrB 2 / SiC (20.9 GPa) e HfB 2 / SiC / TaSi 2 (18.1 GPa).
“È difficile misurare il punto di fusione di un materiale quando questo supera i 4000 gradi С. Pertanto, abbiamo deciso di confrontare le temperature di fusione del composto sintetizzato e il campione originale, il carburo di afnio. Per fare questo, abbiamo posizionato campioni compressi HFC e HfCN su un lastra di grafite a forma di manubrio, coperta con una piastra simile per evitare la dispersione di calore “, afferma Veronika Buinevich, studente post laurea NUST MISIS.
In seguito, il materiale è stato collegato a una batteria con degli elettrodi realizzati in molibdeno. Tutti i test sono stati eseguiti sotto vuoto spinto.
Poiché la sezione trasversale delle piastre di grafite differisce, la temperatura massima è stata raggiunta nella parte più stretta. I risultati del riscaldamento simultaneo del nuovo materiale, carbonitruro e carburo di afnio, hanno mostrato che possiede un punto di fusione più elevato rispetto al carburo di afnio.
Tuttavia, al momento, il punto di fusione specifico del nuovo materiale è superiore a 4000° C e non può essere determinato con precisione.
In futuro, il team prevede di effettuare esperimenti sulla misurazione della temperatura di fusione mediante pirometria ad alta temperatura per mezzo di un laser o di una resistenza elettrica. I ricercatori vogliono inoltre studiare le prestazioni del carbonitruro di afnio in condizioni ipersoniche, che saranno rilevanti per future applicazioni nel settore aerospaziale.
Fonte: Phys.org