超音速飛機(jī)（SupersonicTransport，SST）是指其速度比音速快的飛機(jī),，我們稱馬赫數(shù)（流場(chǎng)中某點(diǎn)的速度與該點(diǎn)的當(dāng)?shù)芈曀僦?，即該處的聲速倍?shù)）小于1者為亞音速，馬赫數(shù)大于1.2者為超音速,，馬赫數(shù)大于5者為超高音速,。由于超音速客機(jī)比普通民航機(jī)具有更高的速度和效率，因此一直吸引著不少飛機(jī)制造商的注意和興趣,，而實(shí)際上對(duì)新一代超音速客機(jī)的摸索和研究并沒有停止過,。但以目前的航空技術(shù)，研發(fā)新一代經(jīng)濟(jì),、可靠的超音速飛機(jī)尚會(huì)遇到不少挑戰(zhàn),。

    圖1 超音速飛機(jī)

（1）“熱量”問題

我們知道,，飛行器所經(jīng)受的高溫環(huán)境是由空氣動(dòng)力加熱,、發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庖约疤罩刑柕妮椪赵斐傻摹６娇掌饔捎陂L時(shí)間在空氣中飛行,，有的飛行速度高達(dá)3倍音速,，所使用的高溫材料要具有良好的高溫持久強(qiáng)度,、蠕變強(qiáng)度、熱疲勞強(qiáng)度,，在空氣和腐蝕介質(zhì)中要有高的抗氧化性能和抗熱腐蝕性能,，并應(yīng)具有在高溫下長期工作的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此在航空技術(shù)領(lǐng)域中所涉及的高溫環(huán)境往往同時(shí)包括高溫高速氣流和粒子的沖刷,。

例如,，我們知道飛機(jī)以5馬赫的速度高空飛行時(shí)，在飛機(jī)表面產(chǎn)生高達(dá)2000~3000℃的超高溫度,，此時(shí)飛機(jī)的涂層材料在這種高溫下很容易被破壞分解,。研制超音速飛機(jī)必須解決飛機(jī)表面堆積熱量的問題，目前,，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種新的碳化物陶瓷涂層,，將助力超音速飛機(jī)提速。

（2）飛機(jī)涂層材料的“困境”

為了使飛機(jī)以超音速速度飛行,，必須保護(hù)其表面部件不受高壓引起的空氣破壞以及摩擦產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)部件損害,，目前采用的是超高溫陶瓷（UHTC）覆蓋機(jī)體表面，這些非金屬固體材料在高溫下可以保持穩(wěn)定,。這些傳統(tǒng)的陶瓷涂層材料在耐熱方面是有效的,，但非常容易劣化。

另外二硼化鋯在飛機(jī)用高溫涂層材料的應(yīng)用較廣泛,，是因?yàn)槎鸹喸诟邷叵履芸寡趸?，而且密度低、成本低,。但是致命的缺點(diǎn)是硼原子氧化時(shí),，二硼化鋯中的硼會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)消融，從而可能發(fā)生災(zāi)難性的后果,。

研究表明，任何材料暴露在足夠高的溫度下,，其分子鏈將會(huì)松動(dòng)脫落,，如果再被高速的顆粒物進(jìn)行沖洗就會(huì)產(chǎn)生“消融”現(xiàn)象；還會(huì)與氧氣發(fā)生反應(yīng),，產(chǎn)生分子結(jié)構(gòu)的變化,，容易被氧化。

我們知道,，碳化物是目前最耐高溫的一種材料,，以通式MxCy來表示。根據(jù)M性質(zhì)的不同,，大致將碳化物分為金屬碳化物和非金屬金屬碳化物,。碳化物陶瓷是最常用的一種耐高溫結(jié)構(gòu)陶瓷,，常見的耐高溫陶瓷有：碳化硅、碳化鋯,、碳化硼,、碳化鎢等。這些陶瓷材料普遍具有具有高熔點(diǎn),、高硬度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等性能,，在國民經(jīng)濟(jì)中的許多領(lǐng)域中都有應(yīng)用。

而新研制的碳化物涂層材料可賦予涂層超強(qiáng)且耐氧化的結(jié)構(gòu),，能夠抵抗高溫環(huán)境下的消融和氧化等問題,。已有研究證明，將這種陶瓷引入碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料中,，可能是提高耐熱沖擊性的有效方法。

    圖2 耐高溫碳化硅陶瓷涂層

新的涂層是由鋯,、鈦,、碳和硼制成的三元合金混合物，將其通過稱為反應(yīng)性熔體滲透的方法沉積到碳復(fù)合材料中,，雖然它與其他碳化物陶瓷具有的性能相似,，但相對(duì)低的硼濃度使得其不太可能被消融，而碳結(jié)構(gòu)有助于防止出現(xiàn)此前材料在熱沖擊下的撕裂,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，碳化物涂層在2000～3000℃下顯示出更好的耐消融性能。

    圖3飛機(jī)涂層過程圖

目前,，新的涂層在航空航天應(yīng)用十分廣泛，因?yàn)楹教炱髟诖┻^大氣層的過程中會(huì)遇到極端溫度危險(xiǎn),，采用這種新型碳化物陶瓷涂層會(huì)更安全,！

美國BOOM飛機(jī)制造公司宣布今年年內(nèi)將試飛自己研發(fā)制造的超音速客機(jī)，據(jù)公司介紹,，如果該客機(jī)順利投入商業(yè)飛行,，北京到洛杉磯只要4個(gè)小時(shí)！

波音公司首席執(zhí)行官Dennis表示,，新的超音速客機(jī)可能在未來十年內(nèi)出現(xiàn)在天空之中,，這些飛機(jī)會(huì)可將旅行時(shí)間縮短多達(dá)700%，這意味著從上海到紐約的航班將從15個(gè)小時(shí)減少到2個(gè)小時(shí),！

目前民用航空飛機(jī)一般以亞音速飛行,，民用超音速飛機(jī)一旦實(shí)現(xiàn)，將大幅削減全球旅行時(shí)間,，使人們交往更加便利,。盡管超音速客機(jī)還未廣泛應(yīng)用于我們的生活,，但這種涂層材料的發(fā)現(xiàn)無疑會(huì)助力超音速飛機(jī)早日實(shí)現(xiàn)商用！

    圖4 涂層創(chuàng)新助推現(xiàn)實(shí)超高音速航空旅行