中國高超飛行器的“保護神” “輕質難熔金屬基複合材料”

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日前，湖南新聞聯播節目報道了中南大學難熔金屬與硬質合金研究所所長、女科學家范景蓮的先進事跡。報道指出，范景蓮領導的團隊研制出的“輕質難熔金屬基複合材料”，能經受3000℃以上的高溫，可以滿足我國某型高超聲速飛行器在大氣層內以5到20倍音速飛行數小時的苛刻要求。無疑，該報道進一步證實了中國在超聲速飛行器熱防護領域已經取得了重大突破。

1飛天的“硬骨頭”

難熔金屬，主要包括釩(V)、鈮(Nb)、坦(Ta)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)、錸(Re)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)等十幾種金屬，屬於過渡金屬一類。由於難熔金屬及其合金、金屬間化合物、碳化物、氮化物等具有熔點高(熔點溫度一般大於2000K)，高溫強度高，抗液態金屬腐蝕性能好，絕大部分可塑性加工等共同特點，所以已經被廣泛的用於航天領域。如美國的Ta-10W合金已用於阿吉娜宇宙飛船的燃燒室和導彈的鼻錐（使用溫度2500℃左右）、火箭發動機噴管的燃氣擾流片、阿波羅的燃燒室以及液體火箭噴管的噴嘴。而俄羅斯將Nb-5W-2Mo-1Zr合金大量應用於雙元液體火箭發動機推力室身部的制造。

2“嫁接”催生新素材

眾所周知，高超聲速飛行器技術將是未來航天領域的重要研究方向。相比於亞聲速、中低超聲速飛行器，高超聲速飛行器不僅需要往返於天地之間，而且還要在大氣層內長時間飛行執行任務，面臨十分苛刻的熱環境，對熱防護系統提出了嚴重挑戰。飛行器在以超過5倍聲速的速度飛行時，由氣動加熱顯著，前緣、翼、舵、段間連接等結構所面臨的熱環境往往超過1000℃，高溫不僅引起結構熱應力，降低材料力學性能，還可能導致材料出現熔化、升華、氧化燒蝕等破壞，傳統的金屬材料難以滿足使用要求。因此將難熔金屬用於高超聲速飛行器的研制乃大勢所趨。

但是，遠程彈道導彈、宇宙飛船等飛行器工作的溫度雖然更高，可相比這些“一次性”用品，高超聲速飛行器由於需要滿足長時間、反複使用的需求，所以對所選用材料的高溫強度性能要求更嚴格，高超聲速飛行器的熱防護系統必須同時具備耐高溫、強度高、韌性好、質量輕和環境穩定性好等特點，結構材料兼有熱防護與承載的雙重作用。而且難熔材料存在高溫強度低、抗氧化能力弱、密度大等弱點，所以其在超高速飛行器中的應用並不是那麽容易的。不過在這方面，中國的范景蓮團隊已經取得了突破。2009年隨著國家超高速飛行器研制計劃被提上日程，范景蓮設想出了“用超高溫陶瓷增強難熔金屬基體，表面形成多相多組元塗層，以實現高溫強韌和長時間抗燒蝕”的設計理念。據資料顯示，在2010年范景蓮團隊研發的“超高溫輕質難熔金屬基材料”已經在北京相關部門通過了考核。從此次的報道可以看出，該材料在相關應用方面可能已近成熟。

3中國高超的“保護神”

不難看出，“輕質難熔金屬基復合材料”對於我國高超聲速飛行的研制意義重大。

一方面，該材料可用於飛行器的前緣結構。高超聲速飛行器在工作過程中，前緣結構承受嚴苛的氣動加熱、壓力載荷和較高的溫度梯度，在苛刻來流條件和結構尺度的雙重作用下，前緣的工作條件十分惡劣，普通材料無法維持前緣結構長時間可靠工作的需求。而“輕質難熔金屬基復合材料”可以充當“刀刃”上的“好鋼”，在高溫的炙烤中為飛行器劈出一條通路來。

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