Високата термична устойчивост се дължи на уникалната структура на оксидния слой

Китайски учени са създали нов вид карбидна керамика, способна да издържа температури до 3 600 градуса по Целзий в окислителна среда. Изобретението надхвърля термични ограничения при хиперзвуковите технологии.

Развитието има потенциални приложения в аерокосмическия сектор, енергетиката и други области, изискващи устойчивост на екстремно високи температури.

Съвременните хиперзвукови летателни апарати и усъвършенствани двигатели изискват материали, които да запазват своята структурна цялост при екстремни топлинни натоварвания. Повечето известни материали обаче започват да губят механичните си свойства далеч под границата от 3 000 градуса.

Например, топлинните защитни плочки на кораба Starship на SpaceX се смята, че издържат температури до около 1 371 градуса. Металните сплави обикновено се разрушават при температури над 2 000 градуса, а карбон-карбоновите композити могат да издържат до 3 000 градуса в инертна среда, но започват да се окисляват бързо на въздух още при около 370 градуса по Целзий.

"Нашият екип — за първи път в световен мащаб — преодоля тази дългогодишна граница чрез дизайн с висока ентропия и мултикомпонентна структура", заяви проф. Чу Янхуей от Южнокитайския университет по технологии.

Новият материал, изграден от елементи като хафний, тантал, цирконий и волфрам, показва значително по-ниска степен на окисление при 3 600 градуса по Целзий под лазерно облъчване в сравнение с всички досега известни материали.

Изследването е публикувано на 5 юни в списание Advanced Materials.

Високата термична устойчивост се дължи на уникалната структура на оксидния слой, формиращ се върху повърхността на материала. Поради различната склонност на всеки елемент да се свързва с кислород при висока температура — и особено устойчивостта на волфрама на окисление — се създава плътен оксиден слой. Той действа като защитна бариера, предотвратяваща по-нататъшно проникване на кислород.

Традиционно, изследването на такива материали изисква скъпоструващи и продължителни изпитания в аеродинамични тръби. За да преодолее това, екипът на проф. Чу е разработил високоефективна лазерна тестова платформа, която позволява бързо нагряване на образци до почти 3 800 градуса по Целзий. С помощта на допълнителни аналитични инструменти се извършва оценка на окислителната устойчивост.

Предишният им материал, разработен миналата година, е издържал само до 2 000 градуса и не е бил устойчив на окисление, ограничавайки приложението му до вътрешни изолационни слоеве, предпазени от директен контакт с въздух.

"Новата карбидна керамика може да се използва директно като външен защитен слой за космически апарати или в енергийни системи, изложени на директно топлинно натоварване", казва проф. Чу.

Според него това е първият случай, в който базов материал демонстрира устойчива експлоатация при 3 600 градуса, като преодолява дългогодишната бариера от 3 000 градуса, която досега беше недостижима за индустрията.

Материалът може да бъде използван самостоятелно или като основа за композити и покрития. Потенциалните му приложения включват аерокосмически компоненти, защитни системи за оръжия и дори в полупроводниковата индустрия, където може да предпазва чувствителни елементи от плазмено лъчение при литография.

Производствените разходи към момента остават в контролируеми граници, а екипът вече работи с индустриални партньори по създаване на производствени линии и проучване на граждански приложения.

В бъдеще учените възнамеряват да използват изкуствен интелект за оптимизация на състава на керамиката с цел допълнително повишаване на нейните експлоатационни характеристики.