Исследователи разработали пористую керамику на основе фосфатов редкоземельных элементов. Материал сохраняет изоляционные свойства при температуре до 1500°C.
Современные авиационные и космические аппараты работают в условиях экстремально высоких температур. Например, отдельные элементы авиационных двигателей и космической техники могут нагреваться до 1500–1700°C. В таких условиях даже самые прочные металлы постепенно теряют свои свойства, поэтому для их защиты используют специальные теплоизоляционные покрытия.
Главная задача таких материалов – не допустить проникновения тепла к конструкции и сохранить работоспособность техники. Однако большинство существующих теплозащитных покрытий имеют ограничение: с ростом температуры они начинают лучше проводить тепло. Из-за этого их эффективность снижается именно тогда, когда защита особенно необходима.
Сегодня для теплозащиты авиационной и космической техники чаще всего применяют керамику на основе оксида циркония. Несмотря на широкое распространение, при сильном нагреве такой материал постепенно теряет часть своих теплоизоляционных свойств.
Ученые ЛЭТИ совместно с коллегами из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук и филиала ФГБУ «Петербургский институт ядерной физики имени Б. П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт» – Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова предложили альтернативный подход. В качестве основы они использовали ортофосфаты редкоземельных элементов – особый класс соединений, отличающийся высокой термической устойчивостью (до ≈2000°С).
Данные соединения формируют минералоподобные структуры – типа ксенотима (циркона) и монацита, которые служат сырьем редкоземельных элементов и встречается в гранитах и магматических горных породах, в том числе на территории РФ. Полученные материалы демонстрируют уникальное свойство: при повышении температуры окружающей среды они хуже проводят тепло, чем при комнатной температуре. То есть, чем выше температура, тем эффективнее материал защищает конструкцию от перегрева.
«Мы синтезировали материалы на основе твердых растворов фосфатов редкоземельных элементов с ксенотимоподобной структурой (аналогичной структуре минерала циркона). Нам удалось снизить теплопроводность материала сразу двумя способами. Во-первых, полученная керамика обладает достаточной пористостью (около 30%), что приводит к снижению коэффициента теплопроводности в несколько раз по сравнению с беспористыми материалами той же структуры и состава.
Во-вторых, путем замещения более легких атомов в решетке ксенотима тяжелыми с образованием твердого раствора, мы увеличили фононное рассеяние на границе фаз и зерен керамики. В совокупности это затрудняет перенос тепла внутри материала». – Доцент кафедры физической химии (ФХ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Мария Олеговна Еникеева
Ученые изучили керамику системы Y₁₋ₓGdₓPO₄. Эксперименты показали, что теплопроводность снижается при росте температуры (измерения проводились до 925°C), а температурная стабильность материала сохраняется до 1500–1700°C. Введение гадолиния в матрицу ортофосфата иттрия подавляет рост зерен и пор, усиливая изоляционный эффект. Материал также обладает диэлектрическими свойствами, что расширяет возможности его использования.
«Такие материалы могут использоваться для создания теплозащитных покрытий двигателей, элементов космических аппаратов и других конструкций, работающих в условиях экстремально высоких температур до 1700 градусов». – Доцент кафедры физической химии (ФХ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Мария Олеговна Еникеева
Статья опубликована в журнале Ceramics International (2026). Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 24-13-00445.
/Пресс-служба СПбГЭТУ «ЛЭТИ»/