Novas cerâmicas de carboneto: a nova favorita dos revestimentos de aeronaves supersônicas

O transporte supersônico (SST) é aquele que viaja mais rápido do que a velocidade do som. Em geral, o transporte com um número Mach menor que 1 é subsônico, um número Mach maior que 1,2 é supersônico e um número Mach maior que 5 é hipersônico. O avião supersônico atraiu a atenção e o interesse de muitos fabricantes de aeronaves devido à sua maior velocidade e eficiência do que as aeronaves civis comuns, e a pesquisa sobre a nova geração de aviões supersônicos nunca parou. Entretanto, o desenvolvimento de uma nova geração de aeronaves supersônicas econômicas e confiáveis enfrentará muitos desafios com as tecnologias de aviação atuais.

Status da pesquisa de aeronaves supersônicas

* Calor

Sabemos que o veículo é exposto a altas temperaturas causadas por aquecimento aerodinâmico, gás do motor e radiação do sol no espaço. Para aeronaves que voam no ar por um longo período, parte da velocidade de voo é até três vezes a velocidade do som. Os materiais de alta temperatura utilizados devem ter boa resistência à persistência em alta temperatura, resistência à fluência, resistência à fadiga térmica, alta resistência à oxidação e resistência à corrosão térmica no ar e no meio de corrosão, e devem ter estabilidade estrutural de longo prazo sob alta temperatura. Portanto, o ambiente de alta temperatura envolvido no campo da tecnologia de aviação geralmente inclui alta temperatura, fluxo de ar de alta velocidade e limpeza de partículas.

Por exemplo, sabemos que haverá uma alta temperatura de 2000 ~ 3000 ℃ na superfície da aeronave quando ela estiver voando a uma velocidade de Mach 5, enquanto o material de revestimento da aeronave é facilmente danificado na decomposição em alta temperatura. O problema do acúmulo de calor na superfície de uma aeronave precisa ser resolvido para desenvolver uma aeronave supersônica. Agora, os cientistas descobriram um novo revestimento de carbono-cerâmica que pode ajudar a acelerar as aeronaves supersônicas.

* Material de revestimento

Para que uma aeronave voe em velocidades supersônicas, é necessário proteger seus componentes de superfície contra danos no ar causados por alta pressão e componentes estruturais causados por atrito. Atualmente, o UHTC é usado para revestir a superfície do corpo, pois esses materiais sólidos não metálicos podem permanecer estáveis em altas temperaturas. Entretanto, esses materiais tradicionais de revestimento cerâmico são eficazes na resistência ao calor, mas podem se deteriorar facilmente.

O diboreto de zircônio é amplamente utilizado em materiais de revestimento de alta temperatura para aeronaves porque pode resistir à oxidação em altas temperaturas e tem baixa densidade e baixo custo. No entanto, há uma desvantagem fatal: o boro no diboreto de zircônio promove ainda mais a dissolução quando os átomos de boro se oxidam, com consequências potencialmente desastrosas.

Nova aeronave supersônica movida a cerâmica de carboneto

Estudos demonstraram que qualquer material exposto a temperaturas suficientemente altas se soltará e cairá de suas cadeias moleculares, e a "ablação" pode ocorrer se ele for enxaguado com partículas em altas velocidades.

Como sabemos, o carbeto é o material mais resistente ao calor atualmente, representado pela fórmula geral MxCy. De acordo com as propriedades de M, o carbeto é dividido em carbeto metálico e carbeto metálico não metálico. As cerâmicas de carboneto são as cerâmicas estruturais mais usadas, como o carboneto de silício, o carboneto de zircônio, o carboneto de boro e o carboneto de tungstênio. Os materiais cerâmicos acima, com alto ponto de fusão, alta dureza e boa estabilidade química, têm sido usados em muitos campos da economia nacional.

Crédito: NASA

O material de revestimento de carbonetos recém-desenvolvido pode dotar o revestimento de uma estrutura superforte e resistente à oxidação e pode resistir à ablação e à oxidação em um ambiente de alta temperatura. Foi comprovado que a introdução de cerâmica em compostos de matriz de carbono reforçados com fibra de carbono pode ser um método eficaz para melhorar a resistência ao impacto.

O novo revestimento, uma liga ternária de zircônio, titânio, carbono e boro, é depositado em compostos de carbono por um processo conhecido como penetração reativa de fusão. Embora tenha propriedades semelhantes às de outras cerâmicas de carboneto, sua concentração relativamente baixa de boro torna menos provável que seja ablacionada, e a estrutura de carbono ajuda a evitar que o material se desfaça sob o choque térmico. Os resultados experimentais mostram que o revestimento de metal duro apresenta melhor resistência à ablação entre 2000 e 3000 ℃.

Perspectiva de aplicação do novo revestimento cerâmico de carboneto

Atualmente, o novo revestimento é amplamente utilizado no setor aeroespacial, que é mais seguro do que os materiais tradicionais, pois a espaçonave pode enfrentar riscos de temperaturas extremas ao passar pela atmosfera.

Dennis, CEO da Boeing, disse que os novos aviões supersônicos de passageiros poderão estar nos céus na próxima década, reduzindo o tempo de viagem em até 700%. Atualmente, as aeronaves civis geralmente voam em velocidades subsônicas e, quando a aeronave supersônica civil for concretizada, o tempo de viagem global será bastante reduzido, facilitando a comunicação entre as pessoas. Embora o avião supersônico não tenha sido amplamente utilizado em nossas vidas, a descoberta desse material de revestimento, sem dúvida, ajudará a aeronave supersônica a se tornar comercial mais cedo!