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新型碳化物陶瓷已成為超音速飛機(jī)涂層“新寵”?

2018-08-14 12:30:07 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：粉體圈分享至：

倫敦——紐約，僅需3.5小時(shí)！

悉尼——洛杉磯，僅需6小時(shí)！

舊金山——東京，僅需5小時(shí)！

洛杉磯——北京，僅需4小時(shí)！

比目前的飛機(jī)快了一倍還多！！！

看到這些激動(dòng)人心的數(shù)據(jù)，你是否也覺(jué)得熱血沸騰，你是否在懷疑這些數(shù)據(jù)的真?zhèn)涡裕瑒e急，今天介紹的超音速飛機(jī)會(huì)幫我們實(shí)現(xiàn)哦！

超音速飛機(jī)（SupersonicTransport，SST）是指其速度比音速快的飛機(jī)，我們稱(chēng)馬赫數(shù)（流場(chǎng)中某點(diǎn)的速度與該點(diǎn)的當(dāng)?shù)芈曀僦龋丛撎幍穆曀俦稊?shù)）小于1者為亞音速，馬赫數(shù)大于1.2者為超音速，馬赫數(shù)大于5者為超高音速。由于超音速客機(jī)比普通民航機(jī)具有更高的速度和效率，因此一直吸引著不少飛機(jī)制造商的注意和興趣，而實(shí)際上對(duì)新一代超音速客機(jī)的摸索和研究并沒(méi)有停止過(guò)。但以目前的航空技術(shù)，研發(fā)新一代經(jīng)濟(jì)、可靠的超音速飛機(jī)尚會(huì)遇到不少挑戰(zhàn)。

圖1 超音速飛機(jī)（來(lái)源：科普中國(guó)）

1、超音速飛機(jī)的研究現(xiàn)狀

（1）“熱量”問(wèn)題

我們知道，飛行器所經(jīng)受的高溫環(huán)境是由空氣動(dòng)力加熱、發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庖约疤罩刑?yáng)的輻照造成的。而航空器由于長(zhǎng)時(shí)間在空氣中飛行，有的飛行速度高達(dá)3倍音速，所使用的高溫材料要具有良好的高溫持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、熱疲勞強(qiáng)度，在空氣和腐蝕介質(zhì)中要有高的抗氧化性能和抗熱腐蝕性能，并應(yīng)具有在高溫下長(zhǎng)期工作的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此在航空技術(shù)領(lǐng)域中所涉及的高溫環(huán)境往往同時(shí)包括高溫高速氣流和粒子的沖刷。

例如，我們知道飛機(jī)以5馬赫的速度高空飛行時(shí)，在飛機(jī)表面產(chǎn)生高達(dá)2000~3000℃的超高溫度，此時(shí)飛機(jī)的涂層材料在這種高溫下很容易被破壞分解。研制超音速飛機(jī)必須解決飛機(jī)表面堆積熱量的問(wèn)題，目前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種新的碳化物陶瓷涂層，將助力超音速飛機(jī)提速。

（2）飛機(jī)涂層材料的“困境”

為了使飛機(jī)以超音速速度飛行，必須保護(hù)其表面部件不受高壓引起的空氣破壞以及摩擦產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)部件損害，目前采用的是超高溫陶瓷（UHTC）覆蓋機(jī)體表面，這些非金屬固體材料在高溫下可以保持穩(wěn)定。這些傳統(tǒng)的陶瓷涂層材料在耐熱方面是有效的，但非常容易劣化。

另外二硼化鋯在飛機(jī)用高溫涂層材料的應(yīng)用較廣泛，是因?yàn)槎鸹喸诟邷叵履芸寡趸颐芏鹊汀⒊杀镜汀５侵旅娜秉c(diǎn)是硼原子氧化時(shí)，二硼化鋯中的硼會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)消融，從而可能發(fā)生災(zāi)難性的后果。

2、新型碳化物陶瓷助力超音速飛機(jī)飛行

研究表明，任何材料暴露在足夠高的溫度下，其分子鏈將會(huì)松動(dòng)脫落，如果再被高速的顆粒物進(jìn)行沖洗就會(huì)產(chǎn)生“消融”現(xiàn)象；還會(huì)與氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生分子結(jié)構(gòu)的變化，容易被氧化。

我們知道，碳化物是目前最耐高溫的一種材料，以通式MxCy來(lái)表示。根據(jù)M性質(zhì)的不同，大致將碳化物分為金屬碳化物和非金屬金屬碳化物。碳化物陶瓷是最常用的一種耐高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，常見(jiàn)的耐高溫陶瓷有：碳化硅、碳化鋯、碳化硼、碳化鎢等。這些陶瓷材料普遍具有具有高熔點(diǎn)、高硬度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等性能，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的許多領(lǐng)域中都有應(yīng)用。

而新研制的碳化物涂層材料可賦予涂層超強(qiáng)且耐氧化的結(jié)構(gòu)，能夠抵抗高溫環(huán)境下的消融和氧化等問(wèn)題。已有研究證明，將這種陶瓷引入碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料中，可能是提高耐熱沖擊性的有效方法。

圖2 耐高溫碳化硅陶瓷涂層（來(lái)源：中國(guó)制造網(wǎng)）

新的涂層是由鋯、鈦、碳和硼制成的三元合金混合物，將其通過(guò)稱(chēng)為反應(yīng)性熔體滲透的方法沉積到碳復(fù)合材料中，雖然它與其他碳化物陶瓷具有的性能相似，但相對(duì)低的硼濃度使得其不太可能被消融，而碳結(jié)構(gòu)有助于防止出現(xiàn)此前材料在熱沖擊下的撕裂。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳化物涂層在2000～3000℃下顯示出更好的耐消融性能。

圖3飛機(jī)涂層過(guò)程圖（來(lái)源：科普中國(guó)）

3、新型碳化物陶瓷涂層的應(yīng)用前景

目前，新的涂層在航空航天應(yīng)用十分廣泛，因?yàn)楹教炱髟诖┻^(guò)大氣層的過(guò)程中會(huì)遇到極端溫度危險(xiǎn)，采用這種新型碳化物陶瓷涂層會(huì)更安全！

美國(guó)BOOM飛機(jī)制造公司宣布今年年內(nèi)將試飛自己研發(fā)制造的超音速客機(jī)，據(jù)公司介紹，如果該客機(jī)順利投入商業(yè)飛行，北京到洛杉磯只要4個(gè)小時(shí)！

波音公司首席執(zhí)行官Dennis表示，新的超音速客機(jī)可能在未來(lái)十年內(nèi)出現(xiàn)在天空之中，這些飛機(jī)會(huì)可將旅行時(shí)間縮短多達(dá)700%，這意味著從上海到紐約的航班將從15個(gè)小時(shí)減少到2個(gè)小時(shí)！

目前民用航空飛機(jī)一般以亞音速飛行，民用超音速飛機(jī)一旦實(shí)現(xiàn)，將大幅削減全球旅行時(shí)間，使人們交往更加便利。盡管超音速客機(jī)還未廣泛應(yīng)用于我們的生活，但這種涂層材料的發(fā)現(xiàn)無(wú)疑會(huì)助力超音速飛機(jī)早日實(shí)現(xiàn)商用！