Nuove ceramiche al carburo: il nuovo favorito dei rivestimenti per aerei supersonici

Il trasporto supersonico (SST) è quello che viaggia a una velocità superiore a quella del suono. In generale, un trasporto con un numero di Mach inferiore a 1 è subsonico, un numero di Mach superiore a 1,2 è supersonico e un numero di Mach superiore a 5 è ipersonico. L'aereo di linea supersonico ha attirato l'attenzione e l'interesse di molti produttori di aeromobili per la sua maggiore velocità ed efficienza rispetto ai normali aerei civili, e la ricerca sulla nuova generazione di aerei di linea supersonici non si è mai fermata. Tuttavia, lo sviluppo di una nuova generazione di aerei supersonici economici e affidabili incontrerà molte sfide con le attuali tecnologie aeronautiche.

Stato della ricerca sugli aerei supersonici

* Calore

Sappiamo che il veicolo è esposto a temperature elevate causate dal riscaldamento aerodinamico, dai gas del motore e dalle radiazioni solari nello spazio. Per gli aerei che volano in aria per lungo tempo, alcune velocità di volo sono fino a tre volte la velocità del suono. I materiali per alte temperature utilizzati devono avere una buona resistenza persistente alle alte temperature, resistenza al creep, resistenza alla fatica termica, elevata resistenza all'ossidazione e resistenza alla corrosione termica in aria e nel mezzo di corrosione, e devono avere una stabilità strutturale a lungo termine alle alte temperature. Pertanto, l'ambiente ad alta temperatura coinvolto nel campo della tecnologia aeronautica spesso include sia l'alta temperatura che il flusso d'aria ad alta velocità e la dispersione di particelle.

Ad esempio, sappiamo che la superficie dell'aeromobile, quando vola a una velocità di Mach 5, è soggetta a una temperatura elevata di 2000-3000 ℃, mentre il materiale di rivestimento dell'aeromobile è facilmente danneggiabile nella decomposizione ad alta temperatura. Il problema dell'accumulo di calore sulla superficie di un aereo deve essere risolto per sviluppare un velivolo supersonico. Ora gli scienziati hanno scoperto un nuovo rivestimento in carbonio-ceramica che potrebbe contribuire a velocizzare gli aerei supersonici.

* Materiale di rivestimento

Affinché un aereo possa volare a velocità supersoniche, è necessario proteggere i suoi componenti superficiali dai danni all'aria causati dall'alta pressione e ai componenti strutturali causati dall'attrito. Attualmente, per rivestire la superficie della carrozzeria si utilizza l'UHTC, poiché questi materiali solidi non metallici possono rimanere stabili alle alte temperature. Tuttavia, questi materiali di rivestimento ceramici tradizionali sono efficaci nella resistenza al calore, ma possono deteriorarsi facilmente.

Ildiboruro di zirconio è ampiamente utilizzato nei materiali di rivestimento ad alta temperatura per gli aeromobili perché resiste all'ossidazione ad alte temperature, ha una bassa densità e un costo contenuto. Tuttavia, il boro presente nel diboruro di zirconio favorisce ulteriormente la dissoluzione quando gli atomi di boro si ossidano, con conseguenze potenzialmente disastrose.

Il nuovo carburo ceramico alimenta gli aerei supersonici

Gli studi hanno dimostrato che qualsiasi materiale esposto a temperature sufficientemente elevate si allenta e si stacca dalle sue catene molecolari e può verificarsi una "ablazione" se viene sciacquato con particelle ad alta velocità.

Come sappiamo, il carburo è il materiale attualmente più resistente al calore, rappresentato dalla formula generale MxCy. In base alle proprietà di M, il carburo si divide grossolanamente in carburo metallico e carburo metallico non metallico. Le ceramiche di carburo sono le ceramiche di struttura più comunemente utilizzate, come il carburo di silicio, il carburo di zirconio, il carburo di boro e il carburo di tungsteno. I materiali ceramici di cui sopra, con un elevato punto di fusione, un'alta durezza e una buona stabilità chimica, sono stati utilizzati in molti campi dell'economia nazionale.

Il materiale di rivestimento in carburo di nuova concezione può conferire al rivestimento una struttura super-forte e resistente all'ossidazione e può resistere all'ablazione e all'ossidazione in un ambiente ad alta temperatura. È stato dimostrato che l'introduzione di ceramica nei compositi a matrice di carbonio rinforzati con fibre di carbonio può essere un metodo efficace per migliorare la resistenza agli urti.

Il nuovo rivestimento, una lega ternaria di zirconio, titanio, carbonio e boro, viene depositato nei compositi di carbonio mediante un processo noto come penetrazione reattiva della fusione. Sebbene abbia proprietà simili a quelle di altri carburi ceramici, la concentrazione relativamente bassa di boro ne rende meno probabile l'ablazione e la struttura di carbonio aiuta a evitare che il materiale si laceri sotto lo shock termico. I risultati sperimentali dimostrano che il rivestimento in carburo mostra una migliore resistenza all'ablazione a 2000 ~ 3000 ℃.

Prospettive di applicazione del nuovo rivestimento ceramico in carburo

Attualmente, il nuovo rivestimento è ampiamente utilizzato nel settore aerospaziale, più sicuro rispetto ai materiali tradizionali perché i veicoli spaziali possono incorrere in rischi di temperature estreme durante il passaggio nell'atmosfera.

L'amministratore delegato di Boeing, Dennis, ha dichiarato che i nuovi aerei passeggeri supersonici potrebbero arrivare nei cieli nel prossimo decennio, riducendo i tempi di viaggio fino al 700%. Attualmente, gli aerei civili volano generalmente a velocità subsoniche e, una volta realizzato l'aereo supersonico civile, il tempo di viaggio globale si ridurrà notevolmente, rendendo più facile la comunicazione tra le persone. Anche se l'aereo supersonico non è stato ancora ampiamente utilizzato nella nostra vita, la scoperta di questo materiale di rivestimento aiuterà senza dubbio gli aerei supersonici a diventare presto commerciali!