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新材料將助力高超聲速飛行

2017-07-17 10:17:22 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：中國(guó)國(guó)防科技信息網(wǎng) 分享至：

曼徹斯特大學(xué)與中南大學(xué)（CSU）研究人員合作，創(chuàng)造了一種新型的陶瓷涂層材料，該材料將在高超聲速客機(jī)，航天飛行器以及其他國(guó)防領(lǐng)域帶來(lái)革新。

高超聲速飛行意味著飛機(jī)將以5馬赫以上的速度飛行，暨至少為聲速的5倍。當(dāng)飛機(jī)以這種速度飛行時(shí)，大氣中空氣摩擦非常強(qiáng)烈，產(chǎn)生極高的熱量，可能對(duì)飛機(jī)或?qū)椀慕Y(jié)構(gòu)完整性造成嚴(yán)重影響。這是因?yàn)橛捎诟叱曀亠w行帶來(lái)的空氣摩擦可以使得飛機(jī)或者高超武器被包裹在高達(dá)2000℃到3000℃的環(huán)境中。

結(jié)構(gòu)問(wèn)題主要是由氧化和熱燒蝕的過(guò)程引起的。當(dāng)極熱的空氣接觸到高超聲速飛行的飛行器或物體金屬材料表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生上述情況。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和高超聲速飛行器（如火箭，多次使用的航天器和防御導(dǎo)彈）中需要使用超高溫陶瓷材料（UHTC）。

但是，當(dāng)前，甚至傳統(tǒng)的UHTC技術(shù)還不能滿足在極限速度和溫度下飛行的相關(guān)熱燒蝕的要求。曼徹斯特大學(xué)和羅伊斯研究所的研究人員與中南大學(xué)合作，設(shè)計(jì)并制造了一種新的碳化物涂層，與現(xiàn)有的UHTC相比，這種涂層可耐高達(dá)3000℃的高溫，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

來(lái)自曼徹斯特大學(xué)皇家名譽(yù)教授Philip Withers教授表示：“未來(lái)的高超聲速航空航天飛行器有潛力在交通運(yùn)輸速度上實(shí)現(xiàn)階躍式跨越。一架高超聲速飛機(jī)有可能在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)從倫敦飛往紐約，這也將徹底改變商務(wù)旅客和經(jīng)常往返兩地的乘客的旅途體驗(yàn)。”

“但目前，高超聲速飛行器面臨的最大挑戰(zhàn)之一是如何保護(hù)關(guān)鍵零部件，如前緣，燃燒室和機(jī)頭尖端部位，以便使得這些部位在極端溫度條件下，在飛行過(guò)程中，能夠抵抗嚴(yán)重氧化和強(qiáng)烈空氣摩擦帶來(lái)的熱侵蝕。

到目前為止，曼徹斯特大學(xué)和中南大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的碳化物涂層耐熱性已經(jīng)達(dá)到常規(guī)UHTC（碳化鋯ZrC）的12倍。碳化鋯是一種非常堅(jiān)固的耐火陶瓷材料，在商業(yè)上廣泛用于切削工具的刀頭。

這中新型涂料之所以有非常明顯的性能提升，主要是由于其獨(dú)特的涂層結(jié)構(gòu)組成和特性，曼徹斯特大學(xué)材料學(xué)院對(duì)此做了深入的研究，中南大學(xué)的粉末冶金學(xué)院則成功實(shí)現(xiàn)了該材料的生產(chǎn)。這種涂料不僅具有非常好的極限耐熱性能，同時(shí)還大幅度提升了抗氧化性。

這種涂層材料之所以具有這樣獨(dú)特的優(yōu)異特性，是因?yàn)槭褂昧艘环N稱(chēng)為“反應(yīng)熔體滲透法”（RMI）的工藝技術(shù)，該技術(shù)大大縮短了制備這種材料所需的時(shí)間，此外，涂層還經(jīng)過(guò)了碳-碳復(fù)合材料進(jìn)行了增強(qiáng)。這使得這種涂層不僅強(qiáng)度高，同時(shí)還對(duì)材料表面的消蝕降解具有極強(qiáng)的抵抗力。

在曼徹斯特大學(xué)負(fù)責(zé)該項(xiàng)研究的材料科學(xué)教授肖平解釋道：“目前的候選材料UHTCs在極端環(huán)境中實(shí)用性非常有限，因此，探索具有耐熱侵蝕，更強(qiáng)抗氧化性的單相陶瓷材料是非常有價(jià)值的。此外，相關(guān)的事實(shí)成果已經(jīng)表明，將這種陶瓷引入碳纖維增強(qiáng)的碳基復(fù)合材料中可能是提高抗熱激波性的有效方式。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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