新型耐热耐冲击碳化涂层助力航天发展

　　【阅前知识】飞机表面堆积的热量一直是研制超高音速飞机的障碍之一，因为以5马赫的速度行驶，可在飞机表面产生高达3600～5400℉的超高温度。到目前为止的飞机涂层材料经历这种高温往往很容易被分解破坏。

　　中、英两国科学家团队日前开发出了一种新的碳化物陶瓷涂层，将有望实现超高音速旅行的突破。

　　1马赫即1倍音速（一般指声音传播速度340米/秒，即1224千米/小时，但音波可以在固体、液体或气体介质中传播，介质密度愈大，则音速愈快，因此实际上马赫的大小不是固定的），马赫数小于1者为亚音速，目前民用航空飞机往往在0.5～0.8马赫的亚音速飞行，波音747巡航最快可以达到0.98马赫（将近1120km/h），而一般马赫数大于1.2者为超音速飞机，一般将马赫数大于5的称为超高音速飞机。

　　新研制的涂层效率比目前的陶瓷要高12倍。最常见的耐高温陶瓷，如碳化锆，在耐热方面是有效的，但非常容易劣化。而新型陶瓷涂层源自一种被称为反应性熔体渗透的全新制造技术，可赋予涂层超强且耐氧化的结构。

　　据介绍，对于能够耐受3000℃（大约5400℉）温度的材料，尤其是在军事和太空技术方面，有很多潜在的用途。新研制的涂层材料可以抵抗暴露于高温环境下消融和氧化的最大问题。

　　将任何材料暴露在足够高的温度下，其分子链将会松动脱落，特别是如果它们再被高速的颗粒物进行冲洗时，这往往会产生“消融”；另外就是与氧气发生反应，产生分子结构变化，称为“氧化”。

　　为了使飞机以超音速速度移动，还必须保护其表面部件不受高压引起的空气压缩破坏以及摩擦产生的结构部件损害，特别是其前缘。

　　目前一般采用超高温陶瓷（UHTC）覆盖机体表面，这些非金属固体材料能在超过2000℃（约3600℉）的温度下保持稳定。用于涂覆钻头、发动机部件和超音速飞机的一种常见的UHTC是碳化锆（ZrC）。

　　飞机上高温涂层材料的另一个有希望的候选人是二硼化锆（ZrB2），它不仅能在高达1500℃（2700℉）的温度下抗氧化，而且密度低，成本也相对较低。不幸的是，当硼原子氧化时，ZrB2中的硼会使其易于消融，进而会发生灾难性的后果。

　　新的研究发现，一种新的碳化物陶瓷材料可以抵抗超音速旅行面临的超高温。

　　曼彻斯特大学的首席研究员肖平（音译）说：“目前能在极端环境中可供选择使用的UHTCs是有限的，因此值得探索新的单相陶瓷，以提升在减少消融和更好抗氧化方面的性能”。

　　“此外已经证明，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。”

　　新的涂层是由锆、钛、碳和硼制成的三元合金混合物，将其通过称为反应性熔体渗透的方法沉积到碳复合材料中，虽然它与其他UHTC具有的性能相似，但相对低的硼浓度使得其不太可能被消融，而碳结构有助于防止出现此前材料（如ZrB2）在热冲击下的撕裂。

　　研究人员在报告中指出：实验结果表明，碳化物涂层在2000～3000℃下比现有的候选UHTC（如锆的碳化物和二硼化物等高温复合材料）显示出更好的耐消融性能。

　　民用超高音速飞机一旦实现，将大幅削减全球旅行时间，超高音速飞机可以在数小时内横穿全球。

　　新的涂层应用于目前的宇航业更是游刃有余，航天器在返回大气层的过程中会遇到极端温度的危险，采用这种陶瓷涂层将更安全。

　　这一突破性的陶瓷涂层由曼彻斯特大学、Royce研究所、中国中南大学的研究人员合作开发。项目通过对常用的过热解决方案和碳化锆（ZrC）的研究，开创了一种用碳-碳复合材料增强碳化锆的新工艺。