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新型碳化物陶瓷已成為超音速飛機涂層“新寵”?

2018-08-14 12:30:07 作者：本網整理來源：粉體圈分享至：

倫敦——紐約，僅需3.5小時！

悉尼——洛杉磯，僅需6小時！

舊金山——東京，僅需5小時！

洛杉磯——北京，僅需4小時！

比目前的飛機快了一倍還多！！！

看到這些激動人心的數據，你是否也覺得熱血沸騰，你是否在懷疑這些數據的真偽性，別急，今天介紹的超音速飛機會幫我們實現哦！

超音速飛機（SupersonicTransport，SST）是指其速度比音速快的飛機，我們稱馬赫數（流場中某點的速度與該點的當地聲速之比，即該處的聲速倍數）小于1者為亞音速，馬赫數大于1.2者為超音速，馬赫數大于5者為超高音速。由于超音速客機比普通民航機具有更高的速度和效率，因此一直吸引著不少飛機制造商的注意和興趣，而實際上對新一代超音速客機的摸索和研究并沒有停止過。但以目前的航空技術，研發新一代經濟、可靠的超音速飛機尚會遇到不少挑戰。

圖1 超音速飛機（來源：科普中國）

1、超音速飛機的研究現狀

（1）“熱量”問題

我們知道，飛行器所經受的高溫環境是由空氣動力加熱、發動機燃氣以及太空中太陽的輻照造成的。而航空器由于長時間在空氣中飛行，有的飛行速度高達3倍音速，所使用的高溫材料要具有良好的高溫持久強度、蠕變強度、熱疲勞強度，在空氣和腐蝕介質中要有高的抗氧化性能和抗熱腐蝕性能，并應具有在高溫下長期工作的組織結構穩定性，因此在航空技術領域中所涉及的高溫環境往往同時包括高溫高速氣流和粒子的沖刷。

例如，我們知道飛機以5馬赫的速度高空飛行時，在飛機表面產生高達2000~3000℃的超高溫度，此時飛機的涂層材料在這種高溫下很容易被破壞分解。研制超音速飛機必須解決飛機表面堆積熱量的問題，目前，科學家發現一種新的碳化物陶瓷涂層，將助力超音速飛機提速。

（2）飛機涂層材料的“困境”

為了使飛機以超音速速度飛行，必須保護其表面部件不受高壓引起的空氣破壞以及摩擦產生的結構部件損害，目前采用的是超高溫陶瓷（UHTC）覆蓋機體表面，這些非金屬固體材料在高溫下可以保持穩定。這些傳統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用高溫涂層材料的應用較廣泛，是因為二硼化鋯在高溫下能抗氧化，而且密度低、成本低。但是致命的缺點是硼原子氧化時，二硼化鋯中的硼會進一步促進消融，從而可能發生災難性的后果。

2、新型碳化物陶瓷助力超音速飛機飛行

研究表明，任何材料暴露在足夠高的溫度下，其分子鏈將會松動脫落，如果再被高速的顆粒物進行沖洗就會產生“消融”現象；還會與氧氣發生反應，產生分子結構的變化，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來表示。根據M性質的不同，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構陶瓷，常見的耐高溫陶瓷有：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、高硬度和良好的化學穩定性等性能，在國民經濟中的許多領域中都有應用。

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