Neue Hartmetallkeramik: der neue Favorit für Beschichtungen von Überschallflugzeugen

Ein Überschalltransport (SST) ist ein Transportmittel, das sich schneller als mit Schallgeschwindigkeit bewegt. Im Allgemeinen ist der Transport mit einer Mach-Zahl von weniger als 1 Unterschall, eine Mach-Zahl von mehr als 1,2 ist Überschall und eine Mach-Zahl von mehr als 5 ist Hyperschall. Das Überschallflugzeug hat die Aufmerksamkeit und das Interesse vieler Flugzeughersteller auf sich gezogen, da es schneller und effizienter ist als gewöhnliche Zivilflugzeuge, und die Forschung an der neuen Generation von Überschallflugzeugen hat nie aufgehört. Die Entwicklung einer neuen Generation wirtschaftlicher und zuverlässiger Überschallflugzeuge stößt jedoch bei den derzeitigen Luftfahrttechnologien auf zahlreiche Herausforderungen.

Forschungsstand bei Überschallflugzeugen

* Wärme

Wir wissen, dass das Fahrzeug hohen Temperaturen ausgesetzt ist, die durch die aerodynamische Erwärmung, das Triebwerksgas und die Sonneneinstrahlung im Weltraum verursacht werden. Bei Flugzeugen, die lange Zeit in der Luft fliegen, beträgt die Fluggeschwindigkeit teilweise bis zum Dreifachen der Schallgeschwindigkeit. Die verwendeten Hochtemperaturwerkstoffe müssen eine gute Hochtemperaturbeständigkeit, Kriechfestigkeit, thermische Ermüdungsfestigkeit, hohe Oxidationsbeständigkeit und Beständigkeit gegen thermische Korrosion an der Luft und im Korrosionsmedium sowie eine langfristige strukturelle Stabilität bei hohen Temperaturen aufweisen. Die Hochtemperaturumgebung im Bereich der Luftfahrttechnik umfasst daher häufig sowohl hohe Temperaturen als auch Hochgeschwindigkeitsluftströmungen und Partikelabrieb.

Zum Beispiel wissen wir, dass es eine hohe Temperatur von 2000 ~ 3000 ℃ auf der Oberfläche des Flugzeugs geben wird, wenn es mit einer Geschwindigkeit von Mach 5 fliegt, während das Beschichtungsmaterial des Flugzeugs bei der Hochtemperaturzersetzung leicht beschädigt werden kann. Das Problem des Wärmestaus auf der Oberfläche eines Flugzeugs muss gelöst werden, um ein Überschallflugzeug zu entwickeln. Jetzt haben Wissenschaftler eine neue Kohlenstoff-Keramik-Beschichtung entdeckt, die zur Beschleunigung von Überschallflugzeugen beitragen könnte.

* Beschichtungsmaterial

Damit ein Flugzeug mit Überschallgeschwindigkeit fliegen kann, müssen die Oberflächenkomponenten vor Beschädigungen durch den hohen Druck in der Luft und die Strukturkomponenten vor Reibung geschützt werden. Gegenwärtig werden UHTC für die Oberflächenbeschichtung der Karosserie verwendet, da diese nichtmetallischen festen Werkstoffe bei hohen Temperaturen stabil bleiben können. Diese herkömmlichen keramischen Beschichtungsmaterialien sind zwar hitzebeständig, können aber leicht beschädigt werden.

Zirkoniumdiborid wird häufig für Hochtemperaturbeschichtungen von Flugzeugen verwendet, da es bei hohen Temperaturen oxidationsbeständig ist und eine geringe Dichte und niedrige Kosten aufweist. Ein fataler Nachteil ist jedoch, dass das Bor in Zirkondiborid die Auflösung weiter fördert, wenn Boratome oxidieren, was katastrophale Folgen haben kann.

Neue Karbidkeramik als Antrieb für Überschallflugzeuge

Studien haben gezeigt, dass jedes Material, das ausreichend hohen Temperaturen ausgesetzt ist, seine Molekülketten lockert und abfällt, und es kann zu einer "Ablation" kommen, wenn es bei hohen Geschwindigkeiten mit Partikeln umspült wird.

Wie wir wissen, ist Karbid das derzeit hitzebeständigste Material, das durch die allgemeine Formel MxCy dargestellt wird. Entsprechend den Eigenschaften von M wird Karbid grob in Metallkarbid und Nicht-Metallkarbid unterteilt. Karbidkeramiken sind die am häufigsten verwendeten Strukturkeramiken, wie Siliziumkarbid, Zirkoniumkarbid, Borkarbid und Wolframkarbid. Die genannten keramischen Werkstoffe mit hohem Schmelzpunkt, hoher Härte und guter chemischer Stabilität werden in vielen Bereichen der Volkswirtschaft eingesetzt.

Das neu entwickelte Karbid-Beschichtungsmaterial kann die Beschichtung mit einer superstarken und oxidationsbeständigen Struktur ausstatten und der Ablation und Oxidation in einer Hochtemperaturumgebung widerstehen. Es hat sich gezeigt, dass die Einbringung von Keramik in kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoffmatrix-Verbundwerkstoffe eine wirksame Methode zur Verbesserung der Schlagfestigkeit sein kann.

Die neue Beschichtung, eine ternäre Legierung aus Zirkonium, Titan, Kohlenstoff und Bor, wird durch ein Verfahren, das als reaktive Schmelzpenetration bekannt ist, in Kohlenstoffverbundwerkstoffe eingebracht. Obwohl die Beschichtung ähnliche Eigenschaften wie andere Karbidkeramiken aufweist, ist sie aufgrund ihrer relativ geringen Borkonzentration weniger anfällig für einen Abtrag, und die Kohlenstoffstruktur verhindert, dass das Material unter dem Wärmeschock zerreißt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Karbidbeschichtung eine bessere Ablationsbeständigkeit bei 2000 ~ 3000 ℃ aufweist.

Anwendungsmöglichkeiten der neuen keramischen Hartmetallbeschichtung

Derzeit wird die neue Beschichtung häufig in der Luft- und Raumfahrt verwendet, da sie sicherer ist als herkömmliche Materialien, da die Raumfahrzeuge beim Durchqueren der Atmosphäre extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt sein können.

Boeing-CEO Dennis sagte, dass die neuen Überschall-Passagierflugzeuge im nächsten Jahrzehnt in der Luft sein könnten und die Reisezeit um bis zu 700 % verkürzen würden. Derzeit fliegen zivile Flugzeuge im Allgemeinen mit Unterschallgeschwindigkeit, und sobald das zivile Überschallflugzeug realisiert ist, wird sich die weltweite Reisezeit erheblich verkürzen, was die Kommunikation zwischen den Menschen erleichtert. Obwohl das Überschallflugzeug in unserem Leben noch nicht weit verbreitet ist, wird die Entdeckung dieses Beschichtungsmaterials zweifellos dazu beitragen, dass Überschallflugzeuge schneller kommerziell genutzt werden können!