Nuevas cerámicas de carburo: el nuevo favorito de los revestimientos para aviones supersónicos
El transporte supersónico (TSM) es aquel que se desplaza a una velocidad superior a la del sonido. En general, un transporte con un número Mach inferior a 1 es subsónico, un número Mach superior a 1,2 es supersónico y un número Mach superior a 5 es hipersónico. El avión supersónico ha atraído la atención y el interés de muchos fabricantes de aviones debido a su mayor velocidad y eficiencia que los aviones civiles ordinarios, y la investigación sobre la nueva generación de aviones supersónicos nunca se ha detenido. Sin embargo, el desarrollo de una nueva generación de aviones supersónicos económicos y fiables se enfrentará a muchos retos con las tecnologías aeronáuticas actuales.
Estado de la investigación sobre aviones supersónicos
* Calor
Sabemos que el vehículo está expuesto a altas temperaturas causadas por el calentamiento aerodinámico, los gases del motor y la radiación del sol en el espacio. En el caso de los aviones que vuelan en el aire durante mucho tiempo, parte de la velocidad de vuelo es de hasta tres veces la velocidad del sonido. Los materiales de alta temperatura utilizados deberán tener una buena resistencia persistente a altas temperaturas, resistencia a la fluencia, resistencia a la fatiga térmica, alta resistencia a la oxidación y resistencia a la corrosión térmica en el aire y en el medio corrosivo, y deberán tener una estabilidad estructural a largo plazo bajo altas temperaturas. Por lo tanto, el entorno de alta temperatura implicado en el campo de la tecnología aeronáutica a menudo incluye tanto la alta temperatura como el flujo de aire a alta velocidad y la corrosión por partículas.
Por ejemplo, sabemos que habrá una alta temperatura de 2000 ~ 3000 ℃ en la superficie de la aeronave cuando vuela a una velocidad de Mach 5, mientras que el material de revestimiento de la aeronave es fácil de dañar en la descomposición de alta temperatura. El problema de la acumulación de calor en la superficie de un avión debe ser resuelto para desarrollar un avión supersónico. Ahora los científicos han descubierto un nuevo revestimiento de carbono-cerámica que podría ayudar a acelerar los aviones supersónicos.
* Material de revestimiento
Para que un avión pueda volar a velocidades supersónicas, es necesario proteger los componentes de su superficie de los daños causados por el aire a alta presión y los componentes estructurales por la fricción. Actualmente, se utiliza UHTC para recubrir la superficie de la carrocería, ya que estos materiales sólidos no metálicos pueden permanecer estables a altas temperaturas. Sin embargo, estos materiales cerámicos de recubrimiento tradicionales son eficaces en la resistencia al calor, pero pueden deteriorarse fácilmente.
El diboruro de circonio se utiliza mucho en materiales de revestimiento de alta temperatura para aviones porque puede resistir la oxidación a altas temperaturas y tiene una baja densidad y un bajo coste. Sin embargo, tiene el inconveniente fatal de que el boro del diboruro de circonio favorece aún más su disolución cuando los átomos de boro se oxidan, con consecuencias potencialmente desastrosas.
Nuevo avión supersónico propulsado por cerámica de carburo
Los estudios han demostrado que cualquier material expuesto a temperaturas suficientemente elevadas aflojará y desprenderá sus cadenas moleculares, y puede producirse una "ablación" si se enjuaga con partículas a altas velocidades.
Como sabemos, el carburo es el material más resistente al calor en la actualidad, que está representado por la fórmula general MxCy. Según las propiedades de M, el carburo se divide a grandes rasgos en carburo metálico y carburo metálico no metálico. Las cerámicas de carburo son las cerámicas de estructura más utilizadas, como el carburo de silicio, el carburo de circonio, el carburo de boro y el carburo de tungsteno. Estos materiales cerámicos con un alto punto de fusión, alta dureza y buena estabilidad química se han utilizado en muchos campos de la economía nacional.
El nuevo material de revestimiento de carburo desarrollado puede dotar al revestimiento de una estructura superfuerte y resistente a la oxidación y puede resistir la ablación y la oxidación en un entorno de alta temperatura. Se ha demostrado que la introducción de cerámica en los compuestos de matriz de carbono reforzados con fibra de carbono puede ser un método eficaz para mejorar la resistencia al impacto.
El nuevo recubrimiento, una aleación ternaria de circonio, titanio, carbono y boro, se deposita en los compuestos de carbono mediante un proceso conocido como penetración reactiva por fusión. Aunque tiene propiedades similares a otras cerámicas de carburo, su concentración relativamente baja de boro hace que sea menos probable que se ablacione, y la estructura de carbono ayuda a evitar que el material se desgarre bajo el choque térmico. Los resultados experimentales muestran que el recubrimiento de carburo muestra una mejor resistencia a la ablación bajo 2000 ~ 3000 ℃.
Perspectivas de aplicación del nuevo recubrimiento cerámico de carburo
En la actualidad, el nuevo recubrimiento se utiliza ampliamente en el sector aeroespacial, ya que es más seguro que los materiales tradicionales porque las naves espaciales pueden experimentar riesgos de temperaturas extremas al atravesar la atmósfera.
Dennis, consejero delegado de Boeing, ha declarado que los nuevos aviones supersónicos de pasajeros podrían surcar los cielos en la próxima década, reduciendo el tiempo de viaje hasta en un 700%. En la actualidad, los aviones civiles vuelan generalmente a velocidades subsónicas, y una vez que el avión supersónico civil se haga realidad, el tiempo de viaje global se reducirá enormemente, facilitando la comunicación entre las personas. Aunque el avión supersónico no se ha generalizado en nuestras vidas, el descubrimiento de este material de revestimiento ayudará sin duda a que los aviones supersónicos se comercialicen antes.
