根据环境与能源研究所的数据,2013 年全球有 7.1 亿吨二氧化碳来自商用航空。到 2017 年,这一数字达到 8.6 亿吨,四年内增长了 21%。到 2018 年,它攀升至 9.05 亿吨,占 CO 2排放总量的 2.4% 。


飞机制造商及其政府和工业客户已投资设计可在极高温度下运行的新型飞机发动机,这意味着发动机可以在燃烧更少燃料的情况下产生更多能量。然而,对于用于制造发动机的材料来说,非常高的温度可能是一个问题

研究人员给飞机发动机部件“穿上”特殊涂层,将使用寿命延长多达 200 倍

弗吉尼亚大学工程与应用科学学院 Edgar Starke 材料科学与工程教授 Haydn Wadley 和 Wadley 小组的博士后研究助理 Jeroen Deijkers 找到了一种方法,可以大大延长这些射流中使用的材料的使用寿命引擎。


喷气发动机吸入大量空气,当这些空气被压缩并与碳氢燃料混合并在燃烧器中燃烧时,为飞机的推进系统提供动力。燃烧器越热,发动机的效率就越高,瓦德利说。


飞机发动机的燃烧温度现在达到或超过 1500 摄氏度,远高于通常由镍和钴合金制成的发动机部件的熔化温度。研究已转向能够承受这些温度的陶瓷,但它们必须与极端燃烧环境中的水蒸气和未燃烧的氧气产生的化学反应相抗衡


碳化硅是首选的陶瓷。然而,由碳化硅制成的发动机部件只能维持几千小时的飞行时间。在如此高的温度下,碳元素与氧气反应形成一氧化碳(气体),而硅形成二氧化硅(固体),但二氧化硅与水蒸气反应形成气态氢氧化硅。换句话说,发动机部分逐渐变成气体并从尾管中消失。


为了保护陶瓷部件,发动机制造商在碳化硅上应用了两层涂层,称为环境屏障涂层系统。外层旨在减缓飞行过程中氧气和水蒸气向碳化硅的扩散,而由硅制成的内部粘合涂层通过与氧气反应形成二氧化硅薄层来保护碳化硅的表面。但是这种设计仍然存在挑战。


发动机部件的寿命通常取决于二氧化硅层厚度达到临界点所需的时间,在该临界点,重复加热和冷却过程中由膨胀和收缩引起的应力导致涂层脱落,Wadley 说。

研究人员给飞机发动机部件“穿上”特殊涂层,将使用寿命延长多达 200 倍

科学家和工程师有两种基本策略来延迟涂层的分离并延长昂贵发动机部件的使用寿命。它们可以使外涂层非常厚,以减缓氧气到达粘合涂层的速度,但这会增加重量和成本。或者,它们可以产生一种不同类型的保护性氧化物,不会“脱落”。


Deijkers 和 Wadley 采取了第二种策略。


他们的解决方案使用二硅酸镱外层,这是一种稀土元素,具有硅和碳化硅的热膨胀特性,并且向硅层输送氧气和水蒸气的速度很慢。他们首先沉积硅粘合涂层,然后在硅和二硅酸镱外层之间放置一层薄薄的氧化铪。


他们的实验研究表明,当二氧化硅在硅上形成时,它会立即与铪反应形成硅-铪氧化物或铪。哈夫农的热膨胀和收缩与涂层的其余部分相同,永远不会导致涂层脱落或破裂。瓦德利称它添加了一点“哈夫尼亚仙尘”。


当我们在硅上沉积一层非常薄的铪,然后是一层二硅酸镱,穿过二硅酸镱的氧气与底层材料发生化学反应,形成铪,戴克斯说。


Deijkers 使用 Wadley 实验室的独特设备,特别是定向气相沉积系统,实现了环境屏障涂层的这一突破。能够沉积比人类头发直径还细的二硅酸镱薄膜是他们成功的关键。


定向气相沉积工艺使用强大的 10 千瓦聚焦电子束在低压室中熔化材料。超音速气体射流将蒸汽输送到涂有硅的碳化硅,在那里凝结,形成薄膜。然后他们使用等离子喷涂方法沉积最终的二硅酸镱层,然后涂覆的组件准备好进行测试。


Deijkers 于 2020 年 10 月成功通过了他的论文,将他对飞机和高温材料的兴趣结合起来攻读博士学位。研究,并跟随他父亲的道路进入材料科学和工程。


当 Deijkers 开始申请博士学位时。在美国学习期间,他关于热障涂层的硕士论文引起了 Wadley 的注意。Deijkers 的到来恰逢其时。小组成员 Brad Richards,他获得了博士学位。2015 年,来自 UVA 的材料科学与工程博士开发了用于陶瓷的硅镱二硅酸盐涂层系统,随后发现该涂层系统与飞机发动机制造商使用的涂层系统非常相似。


Deijkers 的论文改进了 Richards 的涂层系统,加深了对所涉及的表面化学的理解,并提高了涂层系统的商业应用可行性。


推动我研究的一组问题集中在哈夫农通过氧化过程形成需要多长时间,戴克斯说,我想了解这个过程是如何真正运作的,以及我们是否真的可以使用它。


这种涂层的潜力比我们想象的要大;我们需要开发它并将其放入真正的发动机中,使其在商业化道路上更进一步。


现在的方法植根于 1970 年代开发的沉积技术。


与业内最先进的技术相比,我们的研究取得了重大进步,戴克斯说,我粗略估计,如果工业制造商能够实施这些更新的加工技术,他们可以将发动机零件的使用寿命延长多达 200 倍。但要获得这种性能水平,还有很多障碍需要克服。


Wadley 的研究小组在海军研究办公室的支持下取得了这些进展,该办公室在六年的时间里连续两次向 Wadley 的团队提供资助。


我们必须解决的问题是多学科和多机构的,瓦德利说,我们需要将力学、化学和材料科学的知识融合在一起才能取得进展。除了迫切需要减少推进技术排放的CO 2之外,我们的研究还支持全球从含碳碳氢化合物向氢燃料的转变以及最终航空旅行平台的电气化。


我们有来自航空航天工程、物理学、系统工程的本科生,戴克斯说,我们正在研究这个问题的许多不同方面——计算机建模、材料合成、热机械生命设计。


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