Физики определили самое тугоплавкое вещество
Дендритная структура, возникшая в месте плавления карбида тантала-гафния
Omar Cedillos-Barraza et al. / Scientific Reports, 2016
Физики из Имперского колледжа Лондона, Института трансурановых элементов (Карлсруэ) и Университета Лондона уточнили температуры плавления карбидов гафния и тантала. С помощью лазерных методов плавки ученые показали, что наибольшей температурой плавления обладает чистый карбид гафния — HfC0,98 — материал плавится при 3959 ±84 градусах Цельсия. Ранее считалось, что самым тугоплавким материалом из известных является смешанный карбид гафния-тантала, содержащий примерно 20 процентов гафния. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports, кратко о нем сообщает пресс-релиз колледжа.
Исследования температуры плавления карбидов гафния и тантала датируются еще первой половиной XX века. Для этого использовался метод Пирани-Алтертума: с помощью электрического тока нагревалась пластинка материала с отверстием в центре. За пластинкой следили с помощью пирометра. В момент плавления отверстие оказывалось заполнено материалом и изменяло свое свечение. Разброс температур плавления, определенных этим методом для карбида гафния составил почти двести градусов, и по результатам измерений трудно было однозначно определить, какой из карбидов гафния и тантала является самым тугоплавким.
Образцы карбидов после плавления лазером. Слева-направо: кабрид тантала, карбид тантала-гафния, карбид гафния
Omar Cedillos-Barraza et al. / Scientific Reports, 2016
Авторы новой работы, отметив несовершенство ранних пирометров и методик, предложили использовать новый подход для определения температуры плавления. В ней образец керамики плавился под действием мощного 4,5-киловаттного лазера, после чего исследователи следили за его свечением. Момент плавления определялся по изменению отражения от поверхности. После этого лазер отключался, а температура плавления определялась по плато на графике остывания образца: в момент затвердевания отводимая от образца теплота не меняет его температуры.
Слева: кривая температурной зависимости карбида гафния (черная) и производная сигнала отраженного света. Справа: температурные кривые для карбида тантала, гафния и тантала-гафния.
Omar Cedillos-Barraza et al. / Scientific Reports, 2016
В результате оказалось, что наименьшей температурой плавления обладает карбид тантала — она соответствует 3768 ± 77 градусам Цельсия. Интересно, что в некоторых ранних работах карбид тантала наоборот считался более тугоплавким, чем карбид гафния. Высокими температурами плавления обладал состав Ta0.8Hf0.2C, ранее считавшийся рекордсменом — порядка 3905 ± 82 градусов Цельсия. Остальные смешанные карбиды плавились при более низких температурах. Абсолютным рекордсменом, по данным новой работы, стал карбид гафния HfC0,98, материал плавится при 3959 ±84 градусах Цельсия. Для сравнения, самым тугоплавким металлом является вольфрам, плавящийся при 3422 градусах Цельсия.
Считается, что карбидные керамики могут найти применение при строительстве гиперзвуковых самолетов. При движении в атмосфере на скорости свыше пяти чисел Маха теплозащита должна выдерживать температуры в 2200 кельвин и выше.
Ранее химики из Университета Брауна (Провиденс) теоретически предсказали существование фазы смешанного карбида-нитрида гафния с рекордно высокой температурой плавления — свыше 4400 кельвин. Ее состав отвечает формуле HfN0.38C0.51.
Источник
Физики определили самое тугоплавкое вещество
Физики из Имперского колледжа Лондона, Института трансурановых элементов (Карлсруэ) и Университета Лондона уточнили температуры плавления карбидов гафния и тантала. С помощью лазерных методов плавки ученые показали, что наибольшей температурой плавления обладает чистый карбид гафния — HfC0,98 — материал плавится при 3959 ±84 градусах Цельсия. Ранее считалось, что самым тугоплавким материалом из известных является смешанный карбид гафния-тантала, содержащий примерно 20 процентов гафния. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports, кратко о нем сообщает пресс-релиз колледжа.
В результате оказалось, что наименьшей температурой плавления обладает карбид тантала — она соответствует 3768 ±84 градусах Цельсия. Ранее считалось, что самым тугоплавким материалом из известных является смешанный карбид гафния-тантала, содержащий примерно 20 процентов гафния. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports, кратко о нем сообщает пресс-релиз колледжа.
Исследования температуры плавления карбидов гафния и тантала датируются еще первой половиной XX века. Для этого использовался метод Пирани-Алтертума: с помощью электрического тока нагревалась пластинка материала с отверстием в центре. За пластинкой следили с помощью пирометра. В момент плавления отверстие оказывалось заполнено материалом и изменяло свое свечение. Разброс температур плавления, определенных этим методом для карбида гафния составил почти двести градусов, и по результатам измерений трудно было однозначно определить, какой из карбидов гафния и тантала является самым тугоплавким.
Авторы новой работы, отметив несовершенство ранних пирометров и методик, предложили использовать новый подход для определения температуры плавления. В ней образец керамики плавился под действием мощного 4,5-киловаттного лазера, после чего исследователи следили за его свечением. Момент плавления определялся по изменению отражения от поверхности. После этого лазер отключался, а температура плавления определялась по плато на графике остывания образца: в момент затвердевания отводимая от образца теплота не меняет его температуры.
В результате оказалось, что наименьшей температурой плавления обладает карбид тантала — она соответствует 3768 ± 77 градусам Цельсия. Интересно, что в некоторых ранних работах карбид тантала наоборот считался более тугоплавким, чем карбид гафния. Высокими температурами плавления обладал состав Ta0.8Hf0.2C, ранее считавшийся рекордсменом — порядка 3905 ± 82 градусов Цельсия. Остальные смешанные карбиды плавились при более низких температурах. Абсолютным рекордсменом, по данным новой работы, стал карбид гафния HfC0,98, материал плавится при 3959 ±84 градусах Цельсия. Для сравнения, самым тугоплавким металлом является вольфрам, плавящийся при 3422 градусах Цельсия. Считается, что карбидные керамики могут найти применение при строительстве гиперзвуковых самолетов. При движении в атмосфере на скорости свыше пяти чисел Маха теплозащита должна выдерживать температуры в 2200 кельвин и выше. Ранее химики из Университета Брауна (Провиденс) теоретически предсказали существование фазы смешанного карбида-нитрида гафния с рекордно высокой температурой плавления — свыше 4400 кельвин. Ее состав отвечает формуле HfN0.38C0.51.
Источник
Самый тугоплавкий в мире материал
Используя мощные компьютерные модели, исследователи из Университета Брауна определили материал с температурой плавления выше, чем у любого из известных веществ. Расчеты показывают, что материал, изготовленный из гафния, азота и углерода будет иметь температуру плавления более чем 4400 К. Это примерно две трети от температуры на поверхности Солнца и на 200 К выше, чем самая высокая точка плавления из когда-либо зарегистрированных в ходе эксперимента.
Раньше было экспериментально подтверждено, что рекордной температурой плавления обладает вещество из элементов гафния, тантала, и углерода (HF-Та-C).Расчеты, представленные в журнале Physical Review B, показали, что материал, изготовленный с определенным составом из гафния, азота и углерода (HF-N-C) будет иметь температуру плавления более 4400 К, что на 200 К выше, чем экспериментальный результат. Проведенные расчеты показывают, что оптимальный состав материала из гафния, азота и углерода — HfN0.38C0.51. Следующим шагом исследователей станет синтез материала для подтверждения выводов лаборатории.
«Преимуществом вычислительного подхода является то, что можно с небольшими затратами посмотреть много различных комбинаций и найти те, которые стоят эксперимента в лаборатории,» — сказал Аксель ван де Валле, соавтор исследования.
Исследователи использовали вычислительный метод, при котором температура плавления рассчитывается путем моделирования физических процессов на атомном уровне, следуя закону квантовой механики. Динамика плавления изучается на наноуровне, в блоках около 100 атомов. Исследователи начали с анализа материала HF-Та-C, для которого точка плавления уже определена экспериментально. Моделирование смогло прояснить некоторые из факторов, которые вносят вклад в способность материала выдерживать тепло.
Работа показала, что в HF-Та-С сочетается высокая теплота плавления (энергия выделяется или поглощается, когда он переходит из твердого состояния в жидкое) с небольшой разницей между энтропией твердой и жидкой фаз.
Затем исследователи использовали эти выводы для поиска соединений, которые могут максимально соответствовать таким требованиям. Они обнаружили, что соединение гафния, азота и углерода будет иметь аналогичную высокую температуру плавления, но меньшую разницу между энтропией твердого вещества и жидкости. Когда они рассчитали точку плавления, она получилась на 200 К выше, чем получена в эксперименте для HF-Та-C.
Температуры плавления Та-HF-C-N сплавов. Закрашенные кружки обозначают рассчитанные температуры плавления в системах HF-C и Hf-C-N, а незакрашенные кружки показывают данные для системы Та-HF-C для сравнения.
Работа в конечном итоге может указать на новые высококачественные материалы для различных применений, от покрытий для газовых турбин до деталей высокоскоростных самолетов. Станет или нет этим новым материалом HfN0.38C0.51 пока не ясно, говорят исследователи.
Источник
4200 градусов по Цельсию: российские учёные создали самый огнеупорный материал в мире
Материаловеды Национального исследовательского технологического университета МИСиС создали самый огнеупорный в мире керамический материал карбонитрид гафния, способный выдержать температуру 4200 °C. Об этом сообщается в журнале Ceramics International.
До настоящего времени карбид тантала-гафния с температурой плавления 3990 °C считался самым огнеупорным соединением, созданным человеком. На идею создания более тугоплавкого вещества материаловедов МИСиС натолкнуло исследование американских коллег 2015 года, в котором с помощью компьютерного моделирования были предсказаны исключительные температурные свойства и высокая твёрдость композитного соединения гафния, углерода и азота. По расчётам исследователей из США, это вещество должно выдерживать примерно 4200 °C, отличаться высокой теплопроводностью и стойкостью к окислению.
«Для получения нового материала была использована тройная система гафний-углерод-азот. Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза мы получили вещество карбонитрид гафния — насыщенный азотом карбид гафния», — сообщил в беседе с RT автор работы, директор научно-исследовательского центра конструкционных и керамических наноматериалов МИСиС Дмитрий Московских.
Далее учёные сравнили плавкость двух материалов: исходного карбида гафния (плавится при 3990 °C) и полученного карбонитрида гафния. С помощью аккумулятора и молибденовых электродов они провели в глубоком вакууме одновременный нагрев двух материалов. В результате карбид оплавился, а карбонитрид остался в неизменном виде. Однако на данный момент, отмечают учёные, конкретную температуру плавления нового материала выше 4000 °С им определить не удалось.
Чтобы подтвердить все свойства нового материала, предсказанные компьютерным моделированием, учёным необходимо провести дополнительные эксперименты. Для этого, по словам Дмитрия Московских, было заключено соглашение с Объединённым институтом высоких температур РАН о проведении пирометрического анализа, который был отложен из-за пандемии COVID-19.
После снятия ограничений намечено проведение исследования, во время которого карбонитрид гафния будет расплавлен лазером с одновременным измерением теплофизических свойств, включая температуру плавления.
По мнению учёных, разработка подобных высокотемпературных материалов будет востребована при создании авиационной, ракетно-космической и специальной военной техники. На гиперзвуковой скорости и при прохождении через атмосферу Земли двигатели, крылья и носовые обтекатели летательных аппаратов работают при температурах выше 2000 °С и должны быть защищены от воздействия внешней среды. В таких аппаратах применяется керамическая теплозащита с использованием наиболее прочных и тугоплавких композитных материалов.
В дальнейшем для проверки возможности применения карбонитрида гафния в аэрокосмической промышленности запланировано гиперзвуковое исследование для изучения абляции — испарения внешних слоёв материала.
Источник
Ученые создали самый тугоплавкий материал
ТАСС, 19 мая. Ученые синтезировали керамический материал с температурой плавления более 4 тыс. °С. Это делает его самым тугоплавким из известных науке материалов, пишет пресс-служба НИТУ «МИСиС».
Подобный материал, как пишет пресс-служба, можно использовать при изготовлении носовых обтекателей ракет и тех частей реактивных двигателей и крыльев самолетов, на которые ложатся особенно сложные тепловые и механические нагрузки. Это особенно важно при разработке космических кораблей и систем, которые могут многократно летать в космос и садиться на Землю.
«При выходе и повторном входе в атмосферу на поверхности и кромке крыльев воздушно-космических кораблей могут наблюдаться температуры порядка 2–4 тыс. °С. Поэтому возник вопрос о разработке новых материалов, способных работать при столь высоких температурах», – сказал один из авторов работы, сотрудник НИТУ «МИСиС» Дмитрий Московских.
Московских и его коллеги сделали большой шаг в сторону решения этой проблемы. Тугоплавкость материала, который они создали, превосходит все известные соединения такого рода, а также другие известные вещества. При этом он отличается высокой механической прочностью.
Материал представляет собой соединение гафния с углеродом и азотом. Его существование еще в 2015 году предсказали американские химики из Брауновского университета. Их расчеты указали, что тугоплавкость этого материала должна достигать 4415 кельвинов, превосходя в этом отношении карбид тантала-гафния(TaHfC).
Новые рекорды тугоплавкости
Российские исследователи и их коллеги из Университета Нотр-Дам (США) проверили это предсказание на практике. Они придумали, как получать большие количества этого соединения, чтобы можно было оценить его тугоплавкость и механические свойства.
Для этого ученые перемололи в специальной мельнице порошки из гафния и углерода, после чего поставили получившуюся смесь в специальную печь, которая была заполнена чистым азотом. Вставив в порошок электроды из вольфрама и пропустив через них ток, материаловеды запустили реакцию образования карбонитрида гафния, поддерживая четко выверенную температуру и давление внутри печи.
Просветив полученный порошок рентгеновским илучением, химики убедились в том, что они получили чистый карбонитрид гафния (HfCN), механические свойства которого совпадали с тем, что предсказывали теоретики в 2015 году. После этого Московских и его коллеги сравнили созданный ими материал с еще одним тугоплавким веществом, карбидом гафния (HfC).
Для этого ученые спрессовали порошок из того и другого вещества в тонкий лист и поместили их внутрь графитовых пластин, подключенных к мощному источнику тока. Эти опыты показали, что новый материал был более тугоплавок, чем его предшественник. Однако точную температуру его плавления ученые измерить не смогли. Пока можно только сказать, что она больше 4 тыс. °С (4273 кельвинов).
В дальнейшем, как отмечают ученые, они планируют измерить точную температуру плавления этого материала с помощью методов высокотемпературной пирометрии. Вдобавок они хотят проверить, как карбонитрид гафния ведет себя в гиперзвуковых условиях. Это важно для в аэрокосмической промышленности.
Источник