港媒:高超音速技术突破中国科学家研发出新型多孔陶瓷材料

发表时间:2024-01-25 06:23:28 来源:节能开发案例

  随着科技的发展,人类对航空航天技术的需求和期待也慢慢变得高,其中,高超声速飞行器是一个非常关注的领域。高超声速飞行器是指能够以超过音速五倍以上的速度飞行的飞行器,被认为是未来航空航天技术的重要方向之一。

  然而,高超声速飞行器在飞行过程中会面临极高的气动热载荷,需要有高效的热在允许电压下不导电的材料来保护其结构和功能。传统的热在允许电压下不导电的材料在高温环境下容易收缩和强度下降,不适合用于高超声速飞行器等极端条件下。

  为了解决这一难题,中国华南理工大学的研究团队在国际权威期刊《先进材料》上发表了一篇论文,报道了他们开发出一种具有高机械强度和热绝缘性能的新型多孔陶瓷材料,该材料有望在航空航天领域发挥重要作用。

  本文将介绍这种新型多孔陶瓷材料的研发背景、制备方法、结构特征、性能表现和潜在应用,以及其在航空航天技术中的意义和价值。

  多孔陶瓷材料由于其轻质、化学惰性和低热导率等特点,被大范围的应用于热绝缘领域。然而,传统的多孔陶瓷材料在高温环境下容易收缩和强度下降,不适合用于高超声速飞行器等极端条件下。

  这是因为传统的多孔陶瓷材料通常由单一或少数的化学组分构成,其结构和性能受到材料本身的限制,难以同时满足高温下的高强度和低热导率的要求。

  为了突破这一瓶颈,华南理工大学庄磊副教授和褚衍辉研究员带领的研究团队,借鉴了高熵合金的思想,将多种不同的正离子混合制备出一种新型的多孔陶瓷材料。

  高熵合金是一种由五种或更多种元素以近似等摩尔比例组成的合金,其具有高熵、高混合度和高混杂度的特点,能够形成稳定的单相或少相的结构,从而获得优异的力学、物理和化学性能。

  高熵合金的概念自2004年提出以来,已经在金属、陶瓷、氧化物、硼化物等多种材料体系中得到了广泛的应用和发展。

  9PHEB材料的制备方法大致上可以分为两个步骤:混合和烧结。首先,研究团队将九种不同的正离子源,即硼化镁(MgB2)、硼化钙(CaB6)、硼化铝(AlB2)、硼化钛(TiB2)、硼化锆(ZrB2)、硼化铌(NbB2)、硼化钼(MoB2)、硼化钨(WB2)和硼化铱(IrB2),按照等摩尔比例混合在一起,形成均匀的粉末。然后,研究团队将粉末放入一个石墨坩埚中,利用火花等离子烧结(SPS)技术,在1800℃的温度下,对粉末进行快速加热和压缩,使其熔化并凝固成为多孔陶瓷块。最后,研究团队对多孔陶瓷块进行切割、抛光和清洗,得到所需的9PHEB材料样品。

  SPS技术是一种利用脉冲电流通过粉末材料,产生火花放电和等离子体,以此来实现粉末材料的快速加热和烧结的技术。SPS技术具有加热速度快、温度均匀、能耗低、保持材料原有结构和性能等优点,是一种适合制备高熵陶瓷材料的技术。

  9PHEB材料具备独特的多尺度结构设计,即在微观尺度上具有超细孔隙,在纳米尺度上具有高质量的界面,在原子尺度上具有严重的晶格畸变。

  这些结构特征使得9PHEB材料在保持高孔隙率的同时,具有超高的压缩强度,达到337 MPa,远高于以往报道的多孔陶瓷材料。

  9PHEB材料的孔隙率约为50%,孔隙的尺寸分布在0.1-10微米之间,平均孔径约为1.5微米。这些超细的孔隙可以轻松又有效地降低材料的热导率,提高材料的热绝缘性能。

  同时,这些孔隙也可以在高温下为材料提供一定的塑性变形空间,避免材料的断裂和破坏。

  9PHEB材料的界面是指不同的正离子之间的连接区域,是决定材料性能的重要的条件之一。

  9PHEB材料的界面具有高质量的特点,即界面之间无显著的缺陷和裂纹,界面的结合力很强,界面的数量很多。

  这些高质量的界面可以轻松又有效地分散和传递外部施加的应力,提高材料的机械强度和韧性。

  9PHEB材料的晶格畸变是指材料的晶格结构由于不同的正离子的大小和电荷的差异而产生的变形。

  9PHEB材料的晶格畸变程度很高,即材料的晶格参数和晶格角度与理论值有很大的偏差。这些晶格畸变可以轻松又有效地阻碍材料的晶粒生长,维持材料的纳米晶粒尺寸,来提升材料的硬度和耐磨性。

  9PHEB材料的性能表现最重要的包含机械性能、耐热性和热绝缘性。9PHEB材料的机械性能大多数表现在其高强度和高韧性上。9PHEB材料的室温压缩强度为337 MPa,是目前报道的多孔陶瓷材料中最高的。

  9PHEB材料的高温压缩强度更是惊人,即使在2000℃的高温下,仍能保持690 MPa的强度,是室温强度的两倍多。9PHEB材料的高韧性大多数表现在其高温下的塑性变形上。

  9PHEB材料在高温下不会像传统的多孔陶瓷材料那样脆性断裂,而是呈现出塑性变形的特性,当受到高温压缩时,其应变能够达到49%,是目前报道的多孔陶瓷材料中最高的。

  9PHEB材料的耐热性大多数表现在其高温下的尺寸和强度保持上。9PHEB材料在2000℃的高温下,仍能保持98.5%的室温强度和2.4%的尺寸收缩率,这一些数据都远低于传统的多孔陶瓷材料。

  这说明9PHEB材料在高温下不会发生明显的结构和性能的变化,能够保持其原有的功能和效果。

  9PHEB材料的热绝缘性大多数表现在其低热导率上。9PHEB材料的热导率随着温度的升高而降低,从室温的0.26 W/mK降低到1000℃的0.14 W/mK,这一些数据都远低于传统的多孔陶瓷材料。

  这说明9PHEB材料具备很好的热绝缘性能,可以有明显效果地地阻止热量的传递,保护材料的内部结构和功能。

  9PHEB材料的出色性能使其适合用于高超声速飞行器等极端条件下的热在允许电压下不导电的材料,也为航空航天、能源和化工等领域提供了一种新的多孔陶瓷材料选择。

  高超声速飞行器是指能够以超过音速五倍以上的速度飞行的飞行器,被认为是未来航空航天技术的重要方向之一。然而,高超声速飞行器在飞行过程中会面临极高的气动热载荷,需要有高效的热在允许电压下不导电的材料来保护其结构和功能。

  港媒报道指出,中国科学家已经利用9PHEB材料制作出了一种高超声速飞行器的热防护系统,该系统能够在高温度高压力的环境下保持稳定,为高超声速飞行器的设计和制造提供了一种新的技术支撑。

  高超声速飞行器的研制对于提升国家的科学技术实力和国防能力具备极其重大的意义,也为人类的航空航天探索带来了新的可能性。

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