涂料涂層創新助推現實超高音速航空旅行

全球涂料網訊：

飛機表面堆積的熱量一直是研制超高音速飛機的障礙之一，因為以5馬赫的速度行駛，可在飛機表面產生高達3600～5400℉的超高溫度。到目前為止的飛機涂層材料經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、英兩國科學家團隊日前開發出了一種新的碳化物陶瓷涂層，將有望實現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，但音波可以在固體、液體或氣體介質中傳播，介質密度愈大，則音速愈快，因此實際上馬赫的大小不是固定的），馬赫數小于1者為亞音速，目前民用航空飛機往往在0.5～0.8馬赫的亞音速飛行，波音747巡航最快可以達到0.98馬赫（將近1120km/h），而一般馬赫數大于1.2者為超音速飛機，一般將馬赫數大于5的稱為超高音速飛機。

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性熔體滲透的全新制造技術，可賦予涂層超強且耐氧化的結構。

據介紹，對于能夠耐受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，其分子鏈將會松動脫落，特別是如果它們再被高速的顆粒物進行沖洗時，這往往會產生“消融”；另外就是與氧氣發生反應，產生分子結構變化，稱為“氧化”。

為了使飛機以超音速速度移動，還必須保護其表面部件不受高壓引起的空氣壓縮破壞以及摩擦產生的結構部件損害，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℉）的溫度下保持穩定。用于涂覆鉆頭、發動機部件和超音速飛機的一種常見的UHTC是碳化鋯（ZrC）。

飛機上高溫涂層材料的另一個有希望的候選人是二硼化鋯（ZrB2），它不僅能在高達1500℃（2700℉）的溫度下抗氧化，而且密度低，成本也相對較低。不幸的是，當硼原子氧化時，ZrB2中的硼會使其易于消融，進而會發生災難性的后果。

新的研究發現，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。

曼徹斯特大學的首席研究員肖平（音譯）說：“目前能在極端環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”。

“此外已經證明，將這種陶瓷引入碳纖維增強碳基復合材料中，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，將其通過稱為反應性熔體滲透的方法沉積到碳復合材料中，雖然它與其他UHTC具有的性能相似，但相對低的硼濃度使得其不太可能被消融，而碳結構有助于防止出現此前材料（如ZrB2）在熱沖擊下的撕裂。

研究人員在報告中指出：實驗結果表明，碳化物涂層在2000～3000℃下比現有的候選UHTC（如鋯的碳化物和二硼化物等高溫復合材料）顯示出更好的耐消融性能。

民用超高音速飛機一旦實現，將大幅削減全球旅行時間，超高音速飛機可以在數小時內橫穿全球。

新的涂層應用于目前的宇航業更是游刃有余，航天器在返回大氣層的過程中會遇到極端溫度的危險，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、Royce研究所、中國中南大學的研究人員合作開發。項目通過對常用的過熱解決方案和碳化鋯（ZrC）的研究，開創了一種用碳-碳復合材料增強碳化鋯的新工藝。

歷史上，人類僅有兩種超音速客機曾經批量生產并投入商業營運，分別為英國、法國聯合研制的協和飛機，以及前蘇聯的圖-144，均在1960年代末出現。但超音速客機自問世以來一直備受成本效益、環境破壞等因素困擾，并未有大規模推廣使用。圖-144在1978年6月進行最后一次載客飛行后離開商業營運的舞臺，而協和飛機在2003年11月26日進行了最后一次的商業飛行。隨著協和飛機正式退役，世界上一直以來沒有提供商業營運的超音速客機。

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

洛克希德馬丁公司和美國國防高級研究計劃局(DARPA)已經宣布了重新振興其超高音速飛機的發展目標，雖然這些噴氣式飛機不能用于定期乘客旅行，但超高音速商業航班也在認真考慮。

波音公司首席執行官DennisMuilenburg表示，新的超高音速客機可能在未來十年內出現在天空之中，這些飛機會可將旅行時間縮短多達700%，這意味著從上海到紐約的航班將從15個小時減少到2個小時！

Boom公司超高速商用飛機

科羅拉多州的科技公司Boom也在為商務乘客開發新型超高速噴氣式飛機。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。Boom的首席執行官兼創始人BlakeScholl在巴黎航展上發表演講時說：“公司對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品�！�

超高音速航空是否在商業方面具有可行性還有待觀察。

美國BOOM飛機制造公司宣布今年年內將試飛自己研發制造的超音速客機，據公司介紹，如果該客機順利投入商業飛行，北京到洛杉磯只要4個小時！