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飛機(jī)表面堆積的熱量一直是研制超高音速飛機(jī)的障礙之一,因?yàn)橐?馬赫的速度行駛,可在飛機(jī)表面產(chǎn)生高達(dá)3600~5400℉的超高溫度。到目前為止的飛機(jī)涂層材料經(jīng)歷這種高溫往往很容易被分解破壞,但這一瓶頸即將改變。中、英兩國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)日前開(kāi)發(fā)出了一種新的碳化物陶瓷涂層,將有望實(shí)現(xiàn)超高音速旅行的突破。
1馬赫即1倍音速(一般指聲音傳播速度340米/秒,即1224千米/小時(shí),但音波可以在固體、液體或氣體介質(zhì)中傳播,介質(zhì)密度愈大,則音速愈快,因此實(shí)際上馬赫的大小不是固定的),馬赫數(shù)小于1者為亞音速,目前民用航空飛機(jī)往往在0.5~0.8馬赫的亞音速飛行,波音747巡航最快可以達(dá)到0.98馬赫(將近1120km/h),而一般馬赫數(shù)大于1.2者為超音速飛機(jī),一般將馬赫數(shù)大于5的稱(chēng)為超高音速飛機(jī)。
新研制的涂層效率比目前的陶瓷要高12倍。最常見(jiàn)的耐高溫陶瓷,如碳化鋯,在耐熱方面是有效的,但非常容易劣化。而新型陶瓷涂層源自一種被稱(chēng)為反應(yīng)性熔體滲透的全新制造技術(shù),可賦予涂層超強(qiáng)且耐氧化的結(jié)構(gòu)。
據(jù)介紹,對(duì)于能夠耐受3000℃(大約5400℉)溫度的材料,尤其是在軍事和太空技術(shù)方面,有很多潛在的用途。新研制的涂層材料可以抵抗暴露于高溫環(huán)境下消融和氧化的最大問(wèn)題。
將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,特別是如果它們?cè)俦桓咚俚念w粒物進(jìn)行沖洗時(shí),這往往會(huì)產(chǎn)生“消融”;另外就是與氧氣發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生分子結(jié)構(gòu)變化,稱(chēng)為“氧化”。
為了使飛機(jī)以超音速速度移動(dòng),還必須保護(hù)其表面部件不受高壓引起的空氣壓縮破壞以及摩擦產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)部件損害,特別是其前緣。
目前一般采用超高溫陶瓷(UHTC)覆蓋機(jī)體表面,這些非金屬固體材料能在超過(guò)2000℃(約3600℉)的溫度下保持穩(wěn)定。用于涂覆鉆頭、發(fā)動(dòng)機(jī)部件和超音速飛機(jī)的一種常見(jiàn)的UHTC是碳化鋯(ZrC)。
飛機(jī)上高溫涂層材料的另一個(gè)有希望的候選人是二硼化鋯(ZrB2),它不僅能在高達(dá)1500℃(2700℉)的溫度下抗氧化,而且密度低,成本也相對(duì)較低。不幸的是,當(dāng)硼原子氧化時(shí),ZrB2中的硼會(huì)使其易于消融,進(jìn)而會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的后果。
新的研究發(fā)現(xiàn),一種新的碳化物陶瓷材料可以抵抗超音速旅行面臨的超高溫。
曼徹斯特大學(xué)的首席研究員肖平(音譯)說(shuō):“目前能在極端環(huán)境中可供選擇使用的UHTCs是有限的,因此值得探索新的單相陶瓷,以提升在減少消融和更好抗氧化方面的性能”。
“此外已經(jīng)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。”
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UHTC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(如ZrB2)在熱沖擊下的撕裂。
研究人員在報(bào)告中指出:實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,碳化物涂層在2000~3000℃下比現(xiàn)有的候選UHTC(如鋯的碳化物和二硼化物等高溫復(fù)合材料)顯示出更好的耐消融性能。
民用超高音速飛機(jī)一旦實(shí)現(xiàn),將大幅削減全球旅行時(shí)間,超高音速飛機(jī)可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)橫穿全球。
新的涂層應(yīng)用于目前的宇航業(yè)更是游刃有余,航天器在返回大氣層的過(guò)程中會(huì)遇到極端溫度的危險(xiǎn),采用這種陶瓷涂層將更安全。
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