Новая карбидная керамика: новый фаворит покрытий для сверхзвуковых самолетов

Сверхзвуковой транспорт (СЗТ) - это транспорт, который движется быстрее скорости звука. В общем случае транспорт с числом Маха менее 1 является дозвуковым, с числом Маха более 1,2 - сверхзвуковым, а с числом Маха более 5 - гиперзвуковым. Сверхзвуковой лайнер привлек внимание и интерес многих авиастроителей благодаря более высокой скорости и эффективности по сравнению с обычными гражданскими самолетами, и исследования нового поколения сверхзвуковых лайнеров никогда не прекращались. Однако разработка нового поколения экономичных и надежных сверхзвуковых самолетов столкнется с множеством проблем, связанных с современными авиационными технологиями.

Состояние исследований сверхзвуковых самолетов

* Тепло

Мы знаем, что летательный аппарат подвергается воздействию высоких температур, вызванных аэродинамическим нагревом, газом двигателя и излучением солнца в космосе. Для самолетов, долгое время летящих в воздухе, скорость полета в некоторых случаях в три раза превышает скорость звука. Используемые высокотемпературные материалы должны обладать хорошей высокотемпературной стойкостью, прочностью при ползучести, термоусталостной прочностью, высокой стойкостью к окислению и термической коррозии в воздухе и коррозионной среде, а также иметь длительную структурную стабильность при высокой температуре. Поэтому высокотемпературная среда в области авиационной техники часто включает в себя как высокую температуру, так и высокоскоростной воздушный поток и размывание частицами.

Например, мы знаем, что на поверхности самолета будет высокая температура 2000 ~ 3000 ℃, когда он летит со скоростью 5 Махов, а материал покрытия самолета легко повреждается при высокотемпературном разложении. Проблема накопления тепла на поверхности самолета должна быть решена для разработки сверхзвукового самолета. Теперь ученые обнаружили новое углеродно-керамическое покрытие, которое может помочь ускорить сверхзвуковые самолеты.

* Материал покрытия

Для того чтобы самолет мог летать на сверхзвуковых скоростях, необходимо защитить его поверхностные компоненты от повреждений воздухом, вызванных высоким давлением, и структурные компоненты от трения. В настоящее время для покрытия поверхности корпуса используются УВТК, поскольку эти неметаллические твердые материалы могут оставаться стабильными при высоких температурах. Однако традиционные керамические покрытия эффективны в плане термостойкости, но могут легко разрушаться.

Диборид циркония широко используется в высокотемпературных материалах покрытия для самолетов, поскольку он может противостоять окислению при высоких температурах, имеет низкую плотность и низкую стоимость. Однако есть и фатальный недостаток: бор в дибориде циркония способствует дальнейшему растворению при окислении атомов бора, что может привести к катастрофическим последствиям.

Новый карбид-керамический двигатель для сверхзвуковых самолетов

Исследования показали, что любой материал, подвергающийся воздействию достаточно высоких температур, разрыхляется и распадается на молекулярные цепочки, а при обтекании его частицами на высоких скоростях может произойти "абляция".

Как известно, самым жаропрочным материалом на сегодняшний день является карбид, который представлен общей формулой MxCy. В соответствии со свойствами M, карбид условно делится на металлический карбид и неметаллический карбид металла. Карбидная керамика - это наиболее часто используемая структурная керамика, такая как карбид кремния, карбид циркония, карбид бора и карбид вольфрама. Вышеперечисленные керамические материалы с высокой температурой плавления, высокой твердостью и хорошей химической стабильностью используются во многих областях народного хозяйства.

Кредит: NASA

Новый разработанный материал покрытия из карбидов может придать покрытию сверхпрочную и устойчивую к окислению структуру и противостоять абляции и окислению в условиях высокой температуры. Было доказано, что введение керамики в композиты с углеродной матрицей, армированные углеродным волокном, может быть эффективным методом повышения ударопрочности.

Новое покрытие, представляющее собой тройной сплав циркония, титана, углерода и бора, наносится на углеродные композиты с помощью процесса, известного как реактивное проникновение расплава. Хотя по своим свойствам оно схоже с другими карбидными керамиками, относительно низкая концентрация бора делает его менее склонным к истиранию, а углеродная структура помогает предотвратить разрыв материала под действием теплового удара. Экспериментальные результаты показывают, что карбидное покрытие демонстрирует лучшую стойкость к абляции при температуре 2000 ~ 3000 ℃.

Перспективы применения нового карбидного керамического покрытия

В настоящее время новое покрытие широко используется в аэрокосмической отрасли, что безопаснее традиционных материалов, поскольку космические аппараты могут испытывать экстремальные температурные воздействия при прохождении через атмосферу.

Генеральный директор Boeing Деннис Деннис заявил, что новые сверхзвуковые пассажирские самолеты могут появиться в небе уже в следующем десятилетии, сократив время в пути на 700%. В настоящее время гражданские самолеты летают на дозвуковых скоростях, а после создания сверхзвукового самолета время в пути значительно сократится, что облегчит общение между людьми. Хотя сверхзвуковые лайнеры еще не нашли широкого применения в нашей жизни, открытие этого материала покрытия, несомненно, поможет сверхзвуковым самолетам скорее стать коммерческими!