Выше прочнее быстрее. "В мире науки" №11, 2020

Какими станут космические корабли и самолеты будущего? Будут ли они кардинально отличаться от нынешней авиакосмической техники и формой, и скоростями передвижения, и материалами, из которых они изготовлены? Об этом — наш разговор с Елизаветой Петровной Симоненко, доктором химических наук, главным научным сотрудником Лаборатории химии легких элементов и кластеров Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, лауреатом Премии Президента РФ для молодых ученых.

— Какими исследованиями вы сейчас занимаетесь?

— Наша научная группа традиционно ведет два направления, которым мы стараемся уделять одинаковое внимание. Одно из них — создание 20-наноматериалов различного функционального назначения. Это материалы для оптики, для химической газовой сенсорики, для перспективной альтернативной энергетики. Чтобы создавать такие материалы, мы стараемся применять самые современные методы, в частности активно используем приемы аддитивных технологий. А второе направление, которое у нас активно развивается, связано с созданием ультравысокотемпературных керамических и композиционных материалов на их основе.

— Что значит «ультравысокотемпературные материалы»?

— Это материалы, которые предназначены для работы при очень высоких температурах под воздействием высокоскоростных воздушных потоков. В основном эти материалы востребованы для создания перспективных изделий авиации и космонавтики.

— Как вышло, что вы остановились именно на таком типе материалов?

— Современная техника предъявляет все более жесткие требования к материалам. В частности, авиационная и космическая техника ставят задачи повышения маневренности на высоких и очень высоких скоростях, зачастую превышающих скорость звука. Это самое перспективное направление в данной области. В связи с новыми задачами изменяется и конструкция летательных аппаратов, поэтому возникают новые требования к материалам.

— Почему прежние материалы не годятся?

— Все, наверное, видели, как выглядит носовая часть обычного самолета. Она довольно сильно закруглена. А у суперсовременных истребителей она гораздо более острая. Для создания перспективных летательных аппаратов эта носовая часть должна быть еще острее, фактически как игла или лезвие, чтобы обеспечить минимальный контакт с набегающим воздушным потоком. Соответственно, сейчас возникли такие требования к материалам, что радиус кривизны носовых обтекателей и радиус кривизны крыльев, которые подвергаются максимальной тепловой нагрузке, должны быть на уровне не десятков сантиметров, как в традиционных летательных аппаратах типа космического корабля «Буран» или в американских «Шаттлах», а единицы или десятые доли миллиметра.

В связи с этим температуры, которые возникают вблизи критической точки, где поток непосредственно встречается с материалом, кардинально различаются. Для больших радиусов кривизны температура обычно не превышала 1500-1600° С. а для перспективных моделей, у которых радиус кривизны на уровне единиц или даже десятков единиц миллиметров, возникает температура до 2500° С.

Естественно, если разница в температурах больше 1000° С. то материалы, которые использовались на предыдущем этапе, уже не выдерживают такие нагрузки. Соответственно, ставится задача разработки совершенно новых материалов.

— Какие же материалы необходимы сегодня?

— На более раннем этапе использовались материалы на основе углерода, модифицированного карбидом кремния, а такие материалы, к сожалению, в жестких условиях воздействия не выдерживают температур больше, чем 1800° С. Тогда встала задача разработки материалов, переносящих гораздо более жесткие нагрузки. В первую очередь, такие материалы не должны элементарно плавиться при температурах выше 2000° С.

Таким образом, мы переходим к самым тугоплавким материалам— это оксиды, карбиды, бориды. Мало того, при столь жестких аэродинамических нагрузках материалы не должны окисляться, гореть. Следовательно, нужно найти компромисс между термостойкостью и тугоплавкостью, и желательно, чтоб механические характеристики при этом тоже не страдали.

Очень важно, чтобы у таких материалов была также хорошая теплопроводность, что нехарактерно для предыдущего поколения подобной техники. Поэтому наше внимание сосредоточилось на боридах циркония или гафния.

Но у них существует большой минус. Они всем хороши — и высокой теплопроводностью, и тугоплавкостью, но все-таки окисляются при температуре 700°С. Где 700°С, а где предполагаемые условия эксплуатации?

С другой стороны, я уже говорила о материалах на основе карбида кремния. Он при температуре 1800° С тоже подвергается деструкции. А если объединить эти два вещества в композиционный материал, наблюдается синергетический эффект и карбид кремния придает стойкость к окислению боридам циркония и гафния.

Итак, мы разрабатываем методы синтеза порошков нужного состава, консолидации керамических материалов, в содружестве с нашими коллегами проводим испытания на стойкость этих материалов к окислению. Наши коллеги из Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН обладают уникальными установками на основе плазмотронов, которые моделируют условия высокоскоростного перемещения летательных аппаратов — и можно посмотреть, насколько эти материалы стойки к окислению в условиях, приближенных к реальности.

— На каком этапе находятся исследования? Готовы ли вы приступить к осуществлению этих идей и внедрению их в авиакосмическую промышленность?

— Внедрение — все-таки область работы отраслевых институтов, с которыми мы стараемся поддерживать контакт. Поэтому мы создаем научные факты, производим научные наработки, а они внедряют их в практику. Насколько я знаю, эти работы также идут полным ходом.

— Есть ли в вашей работе нечто уникальное, чего не делается нигде в мире?

— Работы, которые мы осуществляем, идут в русле мировых исследований. Наши исследования с энтузиазмом воспринимают наши коллеги из других стран. Мы им точно в этом отношении не уступаем. И, конечно, мы не собираемся останавливаться на достигнутом. Свойства этих материалов прекрасны, очень перспективны, но, тем не менее, керамические материалы обладают рядом недостатков, которые хорошо было бы изжить в ходе работ. В частности, все знают, что если керамические материалы быстро нагреть или охладить, то они могут потрескаться. Этот недостаток мы стараемся нивелировать.

И еще одна проблема: керамические материалы обладают крайне низкой трещиностойкостью. А это значит, что от механического воздействия они легко ломаются. Для того чтобы улучшить трещиностойкость таких керамических материалов, существует множество подходов. В частности, можно добавлять дополнительные компоненты в керамическую систему, и это один из аспектов, которым мы тоже занимаемся. Можно, например, добавить волокнистый компонент и создать гибрид керамики и керамоматричных материалов. А можно переходить к покрытиям для углеродных классических материалов.

Наши исследования сосредоточены на разумном выборе компонентов, которые были бы полезны в аспекте улучшения трещиностойкости, а также в плане возможности использовать эти материалы многократно. Для этого мы стараемся выбирать допанты — специальные добавочные компоненты, которые могли бы улучшать эти характеристики материалов. В частности, последние наши исследования, результаты которых мы сейчас готовим к публикации, показали очень интересные свойства. Во-первых, улучшились механические характеристики материалов. Во-вторых, неожиданно оказалось, что на поверхности наблюдается более низкая температура при той же самой тепловой нагрузке и, соответственно, происходит не такое жесткое воздействие на материалы, меньше изменение массы окисления, деструкция.

— Слышала, что для улучшения качеств таких материалов вы использовали какой-то волшебный компонент. О чем речь?

— Это сложный карбид тантала гафния — вещество, официально считающееся наиболее тугоплавким. Это рекордсмен по температурам плавления. У него максимальная температура плавления среди керамических материалов — ориентировочно 4000° С. По тугоплавкости с ним может сравниться, наверное, только углерод, у которого другие свойства не настолько удачны. В частности, у него не очень большая стойкость к окислению, к тому же он при высоких температурах начинает сублимировать, то есть переходить в газовую фазу.

Сложный карбид крайне тугоплавок, то есть при нагреве и физическом давлении он должен сохранять свою форму при высоких температурах. Кроме того, выяснилось, что у него достаточно высокая теплопроводность.

— Насколько я понимаю, все компоненты, которые вы добавляете к ультравысокотемпературной керамике, что-то улучшают, но тем не менее что-то и ухудшают. Можно ли найти идеальный материал?

— Мы постоянно в поиске, стараемся найти компромисс, чтобы не ухудшить самые важные свойства, несущественно улучшить и нивелировать ненужные особенности исходного керамического материала. И нам это удается.

— Если пофантазировать и посмотреть вперед, чего можно ожидать? Какими станут космические корабли будущего? Как изменится в связи с этим наша жизнь?

— Жизнь наша изменится существенно. Конечно, эти материалы еще далеки от идеала и ученые всего мира стараются достичь желаемых свойств перебором дополнительных допирующих компонентов. А в случае если нам удастся достичь своих целей, можно себе представить, насколько все станет по-другому.

Во-первых, улучшится грузоподъемность летательных аппаратов, во-вторых, будут существенно модифицированы их конструкции. Сейчас конструкторы хотели бы максимально заострить тонкие кромки, но пока материалы, используемые в практике, не позволяют этого. Если удастся добиться реализации положительных характеристик материалов, которыми мы занимаемся, и максимально нивелировать отрицательные, то в принципе можно рассчитывать, что конструкторы реализуют все свои мечты, создав уплощенные перспективные модели — планеры с острым носом и острыми крыльями. Это позволит значительно улучшить их маневренность при повышенных скоростях. Наступит царство высокоскоростных, плоских, шустрых, высокоманевренных летательных аппаратов, какие сегодня можно увидеть не только в фантастической, но и в научной литературе. Не уверена, что будет возможно перевозить людей в этих летательных аппаратах, потому что предполагаются уж очень высокие скорости.

— Но наверняка ведь параллельно будут создаваться более совершенные системы жизнеобеспечения, так что людям там будет все комфортнее.

— Да, наверняка.

— Где еще можно использовать эти материалы?

— Подобный комплекс свойств востребован во многих областях. В последние годы технологи вернулись к мысли о создании керамического двигателя. Ученые стараются модифицировать покрытия на лопатках турбин, но все равно пока не удается достичь таких покрытий, чтобы они могли выдерживать температуру выше 1200° С. Затем — химическая промышленность. Эти вещества стойки к коррозионной и окислительной нагрузке. Далее — энергетика, всевозможные материалы, где в ходе процессов горения происходит преобразование энергии. Это материалы для альтернативной энергетики: существует несколько очень интересных исследований, где материалы такого типа применяются как адсорберы для солнечного излучения: на их основе получаются солнечные тепловые элементы. Столь высокая стойкость к окислению, а также то, что они могут выдерживать механические нагрузки, не меняя геометрических форм, открывает возможность использования таких материалов в широком многообразии областей.

■

Беседовала Наталия Лескова

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ источники

Е.Р. Simonenko, N.P. Simonenko, A.N. Gordeev, A.F. Kolesnikov et al. in Journal of the European Ceramic Society, 40 (4) (2020), 1093-1102, https://doi.org/10.1016/jjeurce- ramsoc.2019.11.023.

E.P. Simonenko, N.P. Simonenko, A.N. Gordeev, E.K. Papynov et al. in Russian Journal of Inorganic Chemistry, 63 (4) (2018), 421-432, https://doi.org/10.1134/ S0036023618040186.