飛機(jī)如何突破表面堆積的熱量障礙

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：“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，將其通過稱為反應(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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