Material mais resistente ao calor que se conhece é sintetizado

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/06/2020

Além das aplicações industriais, a cerâmica é ideal para uso em naves espaciais e aviões hipersônicos.
[Imagem: MISIS]

Material com mais alto ponto de fusão

Pesquisadores russos desenvolveram um material cerâmico com o maior ponto de fusão entre todos os materiais conhecidos.

Graças a uma combinação única de propriedades físicas, mecânicas e térmicas, o material tem potencial para ser usado nos componentes mais sujeitos ao calor dos aviões - como carenagens no nariz e interior dos motores a jato - e até dos futuros aviões hipersônicos, sem contar a ampla gama de aplicações industriais.

"Por exemplo, reduzir o raio de arredondamento das arestas frontais das asas em apenas alguns centímetros leva a um aumento significativo na sustentação e na manobrabilidade, além de reduzir o arrasto aerodinâmico.

"No entanto, ao sair e entrar na atmosfera, a superfície das asas de um avião espacial podem ser submetidas a temperaturas em torno de 2000 °C, chegando a 4000 °C. Assim, quando se trata de tais aeronaves, existe uma questão associada à criação e desenvolvimento de novos materiais que possam trabalhar em temperaturas tão altas," disse o professor Dmitry Moskovskikh, da Universidade Nacional de Ciência e Tecnologia da Rússia.

Háfnio

O objetivo da equipe era criar um material com o mais alto ponto de fusão conhecido, sem perder as propriedades mecânicas que viabilizam seu uso prático.

Eles partiram de um sistema triplo de háfnio-carbono-nitrogênio, uma cerâmica conhecida como carbonitreto de háfnio (Hf-CN), que uma equipe da Universidade Brown, nos EUA, havia previsto teoricamente como capaz de apresentar uma alta condutividade térmica e resistência à oxidação.

Usando um método de síntese autopropagável a alta temperatura, a equipe russa conseguiu sintetizar o material HfC0,5N0,35 próximo à composição teórica, com uma dureza de 21,3 GPa, o que é ainda mais alto do que outros novos materiais promissores, como o ZrB2/SiC (20,9 GPa) e o HfB2/SiC/TaSi2 (18,1 GPa).

Esquema do teste e amostra do material de maior ponto de fusão que se conhece.
[Imagem: Buinevich et al. - 10.1016/j.ceramint.2020.03.158]

Além da capacidade dos termômetros

Mas, se nos cálculos tudo parece bem, certificar-se de ter atingido o recorde de maior resistência ao calor é bem mais complicado na prática.

"É difícil medir o ponto de fusão de um material acima dos 4000 °C. Assim, decidimos comparar as temperaturas de fusão do composto sintetizado com as do 'campeão' original, o carboneto de háfnio. Para isso, colocamos amostras de HFC e HfCN compactadas em uma placa de grafite em forma de haltere, e cobrimos a parte superior com uma placa semelhante para evitar a perda de calor," detalha a pesquisadora Veronika Buinevich.

A seguir, a equipe conectou o aparato a uma bateria usando eletrodos de molibdênio e colocou tudo em um ambiente de alto vácuo. Como a seção transversal das placas de grafite não é homogênea, a temperatura máxima foi atingida em sua parte mais estreita.

Os resultados do aquecimento simultâneo do carbonitreto e do carbeto de háfnio mostraram que o carbonitreto tem um ponto de fusão mais alto do que o carbeto de háfnio, desbancando o campeão atual - embora as técnicas disponíveis não permitam dizer exatamente que temperatura o novo material suporta. O que se sabe é que o ponto de fusão específico do novo material está acima de 4000 °C.

A seguir, a equipe planeja realizar experimentos para medir a temperatura de fusão por pirometria de alta temperatura usando um laser ou uma resistência elétrica. Eles também planejam estudar o desempenho do carbonitreto de háfnio em condições hipersônicas, o que será relevante para futuras aplicações na indústria aeroespacial.

Bibliografia:

Artigo: Fabrication of ultra-high-temperature nonstoichiometric hafnium carbonitride via combustion synthesis and spark plasma sintering
Autores: V. S. Buinevich, A. A. Nepapushev, D. O. Moskovskikh, G. V.Trusov, K. V. Kuskov, S. G. Vadchenko, A. S. Rogachev, A. S. Mukasyan
Revista: Ceramics International
Vol.: 46, Issue 10, Part B, 16068-16073
DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.03.158

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