新型碳化物陶瓷已成为超音速飞机涂层“新宠”?

2018-08-14 12:30:07 作者：本网整理来源：粉体圈分享至：

伦敦——纽约，仅需3.5小时！

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洛杉矶——北京，仅需4小时！

比目前的飞机快了一倍还多！！！

看到这些激动人心的数据，你是否也觉得热血沸腾，你是否在怀疑这些数据的真伪性，别急，今天介绍的超音速飞机会帮我们实现哦！

超音速飞机（SupersonicTransport，SST）是指其速度比音速快的飞机，我们称马赫数（流场中某点的速度与该点的当地声速之比，即该处的声速倍数）小于1者为亚音速，马赫数大于1.2者为超音速，马赫数大于5者为超高音速。由于超音速客机比普通民航机具有更高的速度和效率，因此一直吸引着不少飞机制造商的注意和兴趣，而实际上对新一代超音速客机的摸索和研究并没有停止过。但以目前的航空技术，研发新一代经济、可靠的超音速飞机尚会遇到不少挑战。

图1 超音速飞机（来源：科普中国）

1、超音速飞机的研究现状

（1）“热量”问题

我们知道，飞行器所经受的高温环境是由空气动力加热、发动机燃气以及太空中太阳的辐照造成的。而航空器由于长时间在空气中飞行，有的飞行速度高达3倍音速，所使用的高温材料要具有良好的高温持久强度、蠕变强度、热疲劳强度，在空气和腐蚀介质中要有高的抗氧化性能和抗热腐蚀性能，并应具有在高温下长期工作的组织结构稳定性，因此在航空技术领域中所涉及的高温环境往往同时包括高温高速气流和粒子的冲刷。

例如，我们知道飞机以5马赫的速度高空飞行时，在飞机表面产生高达2000~3000℃的超高温度，此时飞机的涂层材料在这种高温下很容易被破坏分解。研制超音速飞机必须解决飞机表面堆积热量的问题，目前，科学家发现一种新的碳化物陶瓷涂层，将助力超音速飞机提速。

（2）飞机涂层材料的“困境”

为了使飞机以超音速速度飞行，必须保护其表面部件不受高压引起的空气破坏以及摩擦产生的结构部件损害，目前采用的是超高温陶瓷（UHTC）覆盖机体表面，这些非金属固体材料在高温下可以保持稳定。这些传统的陶瓷涂层材料在耐热方面是有效的，但非常容易劣化。

另外二硼化锆在飞机用高温涂层材料的应用较广泛，是因为二硼化锆在高温下能抗氧化，而且密度低、成本低。但是致命的缺点是硼原子氧化时，二硼化锆中的硼会进一步促进消融，从而可能发生灾难性的后果。

2、新型碳化物陶瓷助力超音速飞机飞行

研究表明，任何材料暴露在足够高的温度下，其分子链将会松动脱落，如果再被高速的颗粒物进行冲洗就会产生“消融”现象；还会与氧气发生反应，产生分子结构的变化，容易被氧化。

我们知道，碳化物是目前最耐高温的一种材料，以通式MxCy来表示。根据M性质的不同，大致将碳化物分为金属碳化物和非金属金属碳化物。碳化物陶瓷是最常用的一种耐高温结构陶瓷，常见的耐高温陶瓷有：碳化硅、碳化锆、碳化硼、碳化钨等。这些陶瓷材料普遍具有具有高熔点、高硬度和良好的化学稳定性等性能，在国民经济中的许多领域中都有应用。

而新研制的碳化物涂层材料可赋予涂层超强且耐氧化的结构，能够抵抗高温环境下的消融和氧化等问题。已有研究证明，将这种陶瓷引入碳纤维增强碳基复合材料中，可能是提高耐热冲击性的有效方法。