新材料將助力高超聲速飛行
2017-07-17 10:17:22
作者：本網整理 來源：中國國防科技信息網
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曼徹斯特大學與中南大學（CSU）研究人員合作，創造了一種新型的陶瓷涂層材料，該材料將在高超聲速客機，航天飛行器以及其他國防領域帶來革新。
高超聲速飛行意味著飛機將以5馬赫以上的速度飛行，暨至少為聲速的5倍。當飛機以這種速度飛行時，大氣中空氣摩擦非常強烈，產生極高的熱量，可能對飛機或導彈的結構完整性造成嚴重影響。這是因為由于高超聲速飛行帶來的空氣摩擦可以使得飛機或者高超武器被包裹在高達2000℃到3000℃的環境中。
結構問題主要是由氧化和熱燒蝕的過程引起的。當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，會產生上述情況。為了解決這個問題，在航空發動機和高超聲速飛行器（如火箭，多次使用的航天器和防御導彈）中需要使用超高溫陶瓷材料（UHTC）。
但是，當前，甚至傳統的UHTC技術還不能滿足在極限速度和溫度下飛行的相關熱燒蝕的要求。曼徹斯特大學和羅伊斯研究所的研究人員與中南大學合作，設計并制造了一種新的碳化物涂層，與現有的UHTC相比，這種涂層可耐高達3000℃的高溫，具有非常明顯的優勢。
來自曼徹斯特大學皇家名譽教授Philip Withers教授表示：“未來的高超聲速航空航天飛行器有潛力在交通運輸速度上實現階躍式跨越。一架高超聲速飛機有可能在兩個小時內從倫敦飛往紐約，這也將徹底改變商務旅客和經常往返兩地的乘客的旅途體驗。”
“但目前，高超聲速飛行器面臨的最大挑戰之一是如何保護關鍵零部件，如前緣，燃燒室和機頭尖端部位，以便使得這些部位在極端溫度條件下，在飛行過程中，能夠抵抗嚴重氧化和強烈空氣摩擦帶來的熱侵蝕。
到目前為止，曼徹斯特大學和中南大學的研究團隊開發的碳化物涂層耐熱性已經達到常規UHTC（碳化鋯ZrC）的12倍。碳化鋯是一種非常堅固的耐火陶瓷材料，在商業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，主要是由于其獨特的涂層結構組成和特性，曼徹斯特大學材料學院對此做了深入的研究，中南大學的粉末冶金學院則成功實現了該材料的生產。這種涂料不僅具有非常好的極限耐熱性能，同時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特的優異特性，是因為使用了一種稱為“反應熔體滲透法”（RMI）的工藝技術，該技術大大縮短了制備這種材料所需的時間，此外，涂層還經過了碳-碳復合材料進行了增強。這使得這種涂層不僅強度高，同時還對材料表面的消蝕降解具有極強的抵抗力。
在曼徹斯特大學負責該項研究的材料科學教授肖平解釋道：“目前的候選材料UHTCs在極端環境中實用性非常有限，因此，探索具有耐熱侵蝕，更強抗氧化性的單相陶瓷材料是非常有價值的。此外，相關的事實成果已經表明，將這種陶瓷引入碳纖維增強的碳基復合材料中可能是提高抗熱激波性的有效方式。
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