涂料涂层创新助推现实超高音速航空旅行

http://www.chem.hc360.com2017年07月17日08:23 来源:涂料工业T|T

    慧聪化工网讯: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,但这一瓶颈即将改变。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。

航天飞行器

    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。

    历史上,人类仅有两种超音速客机曾经批量生产并投入商业营运,分别为英国、法国联合研制的协和飞机,以及前苏联的图-144,均在1960年代末出现。但超音速客机自问世以来一直备受成本效益、环境破坏等因素困扰,并未有大规模推广使用。图-144在1978年6月进行最后一次载客飞行后离开商业营运的舞台,而协和飞机在2003年11月26日进行了最后一次的商业飞行。随着协和飞机正式退役,世界上一直以来没有提供商业营运的超音速客机。

最新涂层技术

    但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。

    洛克希德马丁公司和美国国防高级研究计划局(DARPA)已经宣布了重新振兴其超高音速飞机的发展目标,虽然这些喷气式飞机不能用于定期乘客旅行,但超高音速商业航班也在认真考虑。

    波音公司首席执行官DennisMuilenburg表示,新的超高音速客机可能在未来十年内出现在天空之中,这些飞机会可将旅行时间缩短多达700%,这意味着从上海到纽约的航班将从15个小时减少到2个小时!

飞行涂层

    Boom公司超高速商用飞机

    科罗拉多州的科技公司Boom也在为商务乘客开发新型超高速喷气式飞机。巴黎航展以来,已有5家航空公司向公司订购了超高速商用飞机。Boom的首席执行官兼创始人BlakeScholl在巴黎航展上发表演讲时说:“公司对于能为乘客提供新鲜事物感到兴奋,我们很愿意与世界主要航空公司分享未来更高速的产品。”

    超高音速航空是否在商业方面具有可行性还有待观察。

    美国BOOM飞机制造公司宣布今年年内将试飞自己研发制造的超音速客机,据公司介绍,如果该客机顺利投入商业飞行,北京到洛杉矶只要4个小时!

责任编辑:陈晓辉

  • 化工网

    化工网慧聪化工网资讯公众号

  • 更多化工行业信息!欢迎扫描左方二维码关注慧聪化工网官方微信(hc_pcrm)

免责声明:凡注明来源本网的所有作品,均为本网合法拥有版权或有权使用的作品,欢迎转载,注明出处。非本网作品均来自互联网,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。

化工仪器 钛白粉 烯烃 醋酸酯