涂料涂層創(chuàng)新助推現(xiàn)實(shí)超高音速航空旅行

全球涂料網(wǎng)訊：

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。

這一突破性的陶瓷涂層由曼徹斯特大學(xué)、Royce研究所、中國(guó)中南大學(xué)的研究人員合作開發(fā)。項(xiàng)目通過對(duì)常用的過熱解決方案和碳化鋯（ZrC）的研究，開創(chuàng)了一種用碳-碳復(fù)合材料增強(qiáng)碳化鋯的新工藝。

歷史上，人類僅有兩種超音速客機(jī)曾經(jīng)批量生產(chǎn)并投入商業(yè)營(yíng)運(yùn)，分別為英國(guó)、法國(guó)聯(lián)合研制的協(xié)和飛機(jī)，以及前蘇聯(lián)的圖-144，均在1960年代末出現(xiàn)。但超音速客機(jī)自問世以來一直備受成本效益、環(huán)境破壞等因素困擾，并未有大規(guī)模推廣使用。圖-144在1978年6月進(jìn)行最后一次載客飛行后離開商業(yè)營(yíng)運(yùn)的舞臺(tái)，而協(xié)和飛機(jī)在2003年11月26日進(jìn)行了最后一次的商業(yè)飛行。隨著協(xié)和飛機(jī)正式退役，世界上一直以來沒有提供商業(yè)營(yíng)運(yùn)的超音速客機(jī)。

但由于超音速客機(jī)比普通民航機(jī)具有更高的速度和效率，因此一直吸引著不少飛機(jī)制造商的注意和興趣，而實(shí)際上對(duì)新一代超音速客機(jī)的摸索和研究并沒有停止過。

洛克希德馬丁公司和美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)已經(jīng)宣布了重新振興其超高音速飛機(jī)的發(fā)展目標(biāo)，雖然這些噴氣式飛機(jī)不能用于定期乘客旅行，但超高音速商業(yè)航班也在認(rèn)真考慮。

波音公司首席執(zhí)行官DennisMuilenburg表示，新的超高音速客機(jī)可能在未來十年內(nèi)出現(xiàn)在天空之中，這些飛機(jī)會(huì)可將旅行時(shí)間縮短多達(dá)700%，這意味著從上海到紐約的航班將從15個(gè)小時(shí)減少到2個(gè)小時(shí)！

Boom公司超高速商用飛機(jī)

科羅拉多州的科技公司Boom也在為商務(wù)乘客開發(fā)新型超高速噴氣式飛機(jī)。巴黎航展以來，已有5家航空公司向公司訂購了超高速商用飛機(jī)。Boom的首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人BlakeScholl在巴黎航展上發(fā)表演講時(shí)說：“公司對(duì)于能為乘客提供新鮮事物感到興奮，我們很愿意與世界主要航空公司分享未來更高速的產(chǎn)品�！�

超高音速航空是否在商業(yè)方面具有可行性還有待觀察。

美國(guó)BOOM飛機(jī)制造公司宣布今年年內(nèi)將試飛自己研發(fā)制造的超音速客機(jī)，據(jù)公司介紹，如果該客機(jī)順利投入商業(yè)飛行，北京到洛杉磯只要4個(gè)小時(shí)！