Nouveau record établi pour le matériau le plus résistant à la chaleur au monde

Jul 22, 2023

La découverte ouvre la voie à de nouveaux types de boucliers thermiques (image : NASA)

Les chercheurs ont découvert que les matériaux en carbure de tantale et en carbure de hafnium peuvent résister à des températures torrides de près de 4 000 degrés Celsius.

– Dr Omar Cedillos-Barraza

L’équipe de l’Imperial College de Londres a notamment découvert que le point de fusion du carbure de hafnium est le plus élevé jamais enregistré pour un matériau. Être capable de résister à des températures de près de 4 000 °C pourrait ouvrir la voie à l’utilisation des deux matériaux dans des environnements toujours plus extrêmes, comme dans les blindages résistant à la chaleur pour la prochaine génération de véhicules spatiaux hypersoniques.

Le carbure de tantale (TaC) et le carbure d'hafnium (HfC) sont des céramiques réfractaires, ce qui signifie qu'ils sont extraordinairement résistants à la chaleur. Leur capacité à résister à des environnements extrêmement sévères signifie que les céramiques réfractaires pourraient être utilisées dans les systèmes de protection thermique des véhicules à grande vitesse et comme gainage de combustible dans les environnements surchauffés des réacteurs nucléaires. Cependant, il n’existait pas de technologie disponible pour tester le point de fusion du TaC et du HfC en laboratoire afin de déterminer dans quelle mesure un environnement vraiment extrême dans lequel ils pourraient fonctionner.

Les chercheurs de l'étude, publiée dans la revue Scientific Reports, ont développé une nouvelle technique de chauffage extrême utilisant des lasers pour tester la tolérance thermique du TaC et du HfC. Ils ont utilisé les techniques de chauffage au laser pour déterminer le point auquel le TaC et le HfC fondaient, séparément et sous forme de compositions mélangées des deux.

Ils ont découvert que le composé mixte (Ta0,8Hf0,20C) était conforme aux recherches précédentes, fondant à 3 905°C, mais que les deux composés à eux seuls dépassaient les points de fusion enregistrés précédemment. Le composé TaC a fondu à 3 768 °C et HfC a fondu à 3 958 °C.

Les chercheurs affirment que les nouvelles découvertes pourraient ouvrir la voie à la prochaine génération de véhicules hypersoniques, ce qui signifie que les engins spatiaux pourraient devenir plus rapides que jamais.

Le Dr Omar Cedillos-Barraza, actuellement professeur agrégé à l'Université du Texas à El Paso, a réalisé l'étude alors qu'il effectuait son doctorat au Département des matériaux de l'Imperial.

Le Dr Cedillos-Barraza a déclaré : « La friction impliquée lors d’un voyage au-dessus de Mach 5 – des vitesses hypersoniques – crée des températures très élevées. Jusqu'à présent, le TaC et le HfC ne sont pas des candidats potentiels pour les avions hypersoniques, mais nos nouvelles découvertes montrent qu'ils peuvent résister à encore plus de chaleur que nous le pensions auparavant - plus que tout autre composé connu de l'homme. Cela signifie qu’ils pourraient constituer des matériaux utiles pour de nouveaux types de vaisseaux spatiaux capables de voler dans l’atmosphère comme un avion, avant d’atteindre des vitesses hypersoniques pour s’envoler dans l’espace. Ces matériaux pourraient permettre aux engins spatiaux de résister à la chaleur extrême générée lors de leur sortie et de leur rentrée dans l’atmosphère.

Des exemples d'utilisations potentielles du TaC et du HfC pourraient être les nez des engins spatiaux et les bords des instruments externes qui doivent résister au plus grand frottement pendant le vol.

Actuellement, les véhicules dépassant Mach 5 ne transportent pas de personnes, mais le Dr Cedillos-Barraza suggère que cela pourrait être possible à l'avenir.

Le Dr Cedillos-Barraza a ajouté : « Nos tests démontrent que ces matériaux sont réellement prometteurs pour l'ingénierie des véhicules spatiaux du futur. Être capable de résister à des températures aussi extrêmes signifie que les missions impliquant des vaisseaux spatiaux hypersoniques pourraient un jour être des missions habitées. Par exemple, un vol de Londres à Sydney peut prendre environ 50 minutes à Mach 5, ce qui pourrait ouvrir un nouveau monde d’opportunités commerciales pour les pays du monde entier. »