Российские научные сотрудники из НИТУ «МИСиС» под руководством Дмитрия Московских и при участии талантливой аспирантки Вероники Буйневич сделали исторический шаг вперёд в области материалов для аэрокосмической индустрии. Им удалось создать инновационный керамический материал — карбонитрид гафния (Hf-C-N), обладающий самой высокой температурой плавления среди всех существующих науке соединений. Это выдающееся открытие открывает перед мировой наукой и промышленностью новые перспективы для строительства и эксплуатации сверхскоростных летательных аппаратов в самых экстремальных условиях.
Актуальность разработки для новой эры авиации и космонавтики
Мировая аэрокосмическая отрасль переживает бурный этап развития. Современные требования к летательным аппаратам растут: они должны быть быстрее, надёжнее, экономичнее и долговечнее. Многоразовые воздушно-космические самолёты, находящиеся в фокусе крупнейших агентств мира, таких как НАСА, ЕКА, а также ведущих исследовательских центров Японии, Китая и Индии, способны совершить революцию в транспорте — снизить стоимость вывода на орбиту и многократно снизить межполетные интервалы.
Однако основной вызов состоит в подборе и создании материалов для самых нагруженных узлов конструкций: носовых частей, ведущих кромок крыльев, элементов двигателей и тепловых экранов, где температурные нагрузки могут превышать 2000, а иногда и 4000 градусов Цельсия.
Комментарии специалистов: Дмитрий Московских о прорыве
По словам директора НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Дмитрия Московских, современное развитие технологий приводит к необходимости уменьшать радиус скругления передних кромок крыльев до сантиметровых значений. Это усиливает подъёмную силу, снижает сопротивление и повышает маневренность аппаратов. Но такие решения приводят к перегреву: при входе или выходе из плотных слоёв атмосферы температура поверхности может достигать 2000-4000 °С, что предъявляет огромные требования к жаропрочной керамике нового поколения.
Композиция с рекордными свойствами — карбонитрид гафния Hf-C-N
В ходе поисков оптимального состава ученые рассмотрели трехкомпонентную систему на основе гафния, углерода и азота — карбонитрид гафния, или Hf-C-N. Именно это соединение, согласно вычислениям американских коллег по молекулярной динамике, должно демонстрировать непревзойденную теплопроводность, уникальную стойкость к окислению и, главное, рекордную температуру плавления, вплоть до 4200 °C.
С применением метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в лаборатории НИТУ «МИСиС» был успешно получен образец с составом HfC0.5N0.35, наиболее близкий к теоретически рассчитанному. Результаты испытаний показали твёрдость в диапазоне 21,3 ГПа. Этот показатель не уступает лучшим мировым материалам для экстремальных условий — таким как ZrB2/SiC (20,9 ГПа) или HfB2/SiC/TaSi2 (18,1 ГПа).
Эксперименты и испытания: оценка температуры плавления
Измерение температуры плавления выше 4000 °С — задача невероятной сложности даже в высокотехнологичных лабораториях. Вероника Буйневич, аспирант и ключевой участник проекта, подчёркивает: стандартные методы здесь неэффективны. Для сопоставления характеристик образцы классического карбида гафния и нового карбонитрида гафния изготавливались в виде прессованных заготовок и помещались на графитовую платформу гантелевидной формы, сверху закрывались аналогичной плитой для уменьшения теплопотерь, а затем подключались к мощной аккумуляторной батарее через молибденовые электроды.
Вакуумные условия испытаний обеспечивали чистоту эксперимента, а сужение графитовой пластины — локальный нагрев до максимальных температур. В ходе одновременного испытания обоих материалов получено недвусмысленное эмпирическое подтверждение: карбонитрид гафния устойчив к плавлению при более высоких температурах по сравнению с карбидом гафния.
И хотя на данном этапе исследователи не смогли точно зафиксировать верхний предел плавления сверхвысокотемпературного образца (из-за технологических ограничений лабораторного оборудования), полученные данные подтверждают: создан новый мировой рекорд.
Планы по дальнейшим исследованиям и применению
Команда под руководством Дмитрия Московских намерена продолжить эксперименты с использованием лазерной пирометрии и электротермических методик для точной фиксации температуры плавления материала. Не менее важной задачей станет тестирование полученных образцов в гиперзвуковых потоках и экстремальных аэродинамических условиях реальных полётов. Такие исследования дадут возможность не только лабораторно подтвердить уникальность карбонитрида гафния, но и внедрить его в конструкции перспективных космических транспортных систем, в том числе международных проектов, курируемых НАСА и ЕКА.
Ожидается, что дальнейшее развитие этой тематики позволит радикально повысить безопасность полётов, увеличить ресурс конструкций и снизить эксплуатационные издержки для аэрокосмической отрасли.
Роль молодых ученых и международное значение результата
Прослеживается значительная роль молодежи в реализации сложнейших научных проектов. Вероника Буйневич внесла весомый вклад не только в проведение исследований, но и в интерпретацию сложных экспериментальных данных. Доктор Московских подчеркнул, что привлечение молодых учёных становится залогом новых инженерных решений и технологических революций, столь необходимых для динамично развивающегося аэрокосмического направления.
На международном уровне открытие российских учёных, создавших карбонитрид гафния с рекордными характеристиками, вызывает искренний интерес у зарубежных партнёров и стимулирует развитие совместных программ, глобальных коллабораций и обмена технологиями. В перспективе возможна серийная адаптация уникального материала в рамках российско-европейских и российско-американских аэрокосмических миссий.
Прогнозы и значение открытия для будущего
Появление нового керамического материала, способного сохранять механическую прочность и структурную целостность при температурах существенно выше 4000 °C, способно изменить подход к созданию космических и авиационных конструкций. Современная инженерия полагается на технологические инновации, которые сегодня рождаются в научных лабораториях таких вузов, как НИТУ «МИСиС». Применение карбонитрида гафния (Hf-C-N) в качестве основы для создания теплозащитных экранов, обтекателей и гиперзвуковых крыльев станет новым стандартом отрасли.
Темпы внедрения подобных разработок впечатляют — уже в ближайшие годы можно ожидать появления летательных аппаратов, устойчивых к перегреву и пригодных для многоразового использования при сверхвысоких скоростях. Благодаря этому открытию научное сообщество получает надёжную отправную точку для последующих исследований и технологических побед.
НИТУ «МИСиС» и его молодые учёные уверенно двигаются вперёд, доказывая, что Россия способна формировать новые фронтиры прогресса, а имена Дмитрия Московских и Вероники Буйневич станут символами инженерного подвига в новых веках человеческой истории.
