Nouvelles céramiques de carbure : le nouveau favori des revêtements pour avions supersoniques

Un transport supersonique (SST) est un transport qui se déplace à une vitesse supérieure à celle du son. En général, un transport dont le nombre de Mach est inférieur à 1 est subsonique, un nombre de Mach supérieur à 1,2 est supersonique et un nombre de Mach supérieur à 5 est hypersonique. L'avion de ligne supersonique a attiré l'attention et l'intérêt de nombreux constructeurs aéronautiques en raison de sa vitesse et de son efficacité supérieures à celles des avions civils ordinaires, et la recherche sur la nouvelle génération d'avions de ligne supersoniques n'a jamais cessé. Cependant, le développement d'une nouvelle génération d'avions supersoniques économiques et fiables se heurtera à de nombreux défis liés aux technologies aéronautiques actuelles.

État de la recherche sur les avions supersoniques

* Chaleur

Nous savons que le véhicule est exposé à des températures élevées causées par le chauffage aérodynamique, les gaz du moteur et le rayonnement du soleil dans l'espace. Pour les avions qui volent dans l'air pendant une longue période, la vitesse de vol est parfois trois fois supérieure à la vitesse du son. Les matériaux haute température utilisés doivent présenter une bonne résistance à la persistance à haute température, une bonne résistance au fluage, une bonne résistance à la fatigue thermique, une bonne résistance à l'oxydation et une bonne résistance à la corrosion thermique dans l'air et dans le milieu corrosif, ainsi qu'une stabilité structurelle à long terme à haute température. Par conséquent, l'environnement à haute température impliqué dans le domaine de la technologie aéronautique comprend souvent à la fois des températures élevées, des flux d'air à grande vitesse et l'affouillement de particules.

Par exemple, nous savons qu'il y aura une température élevée de 2000 ~ 3000 ℃ sur la surface de l'avion lorsqu'il vole à une vitesse de Mach 5, tandis que le matériau de revêtement de l'avion est facile à endommager dans la décomposition à haute température. Le problème de l'accumulation de chaleur à la surface d'un avion doit être résolu pour développer un avion supersonique. Des scientifiques ont découvert un nouveau revêtement en carbone-céramique qui pourrait contribuer à accélérer les avions supersoniques.

* Matériau de revêtement

Pour qu'un avion puisse voler à des vitesses supersoniques, il est nécessaire de protéger ses composants de surface contre les dommages causés par l'air sous haute pression et les composants structurels contre les frottements. Actuellement, l'UHTC est utilisé pour recouvrir la surface de la carlingue, car ces matériaux solides non métalliques peuvent rester stables à des températures élevées. Cependant, ces matériaux de revêtement céramiques traditionnels sont efficaces pour la résistance à la chaleur mais peuvent facilement se détériorer.

Lediborure de zirconium est largement utilisé dans les matériaux de revêtement haute température pour les avions car il peut résister à l'oxydation à des températures élevées et présente une faible densité et un faible coût. Toutefois, il existe un inconvénient majeur : le bore contenu dans le diborure de zirconium favorise la dissolution lorsque les atomes de bore s'oxydent, ce qui peut avoir des conséquences désastreuses.

Un nouvel avion supersonique propulsé par une céramique de carbure

Des études ont montré que tout matériau exposé à des températures suffisamment élevées se détache et perd ses chaînes moléculaires, et qu'une "ablation" peut se produire s'il est rincé avec des particules à grande vitesse.

Comme on le sait, le carbure est le matériau le plus résistant à la chaleur actuellement, représenté par la formule générale MxCy. En fonction des propriétés de M, le carbure se divise grosso modo en carbure métallique et en carbure métallique non métallique. Les céramiques de carbure sont les céramiques de structure les plus couramment utilisées, telles que le carbure de silicium, le carbure de zirconium, le carbure de bore et le carbure de tungstène. Les matériaux céramiques susmentionnés, qui ont un point de fusion élevé, une grande dureté et une bonne stabilité chimique, ont été utilisés dans de nombreux domaines de l'économie nationale.

Le nouveau matériau de revêtement en carbure peut doter le revêtement d'une structure très solide et résistante à l'oxydation et peut résister à l'ablation et à l'oxydation dans un environnement à haute température. Il a été prouvé que l'introduction de céramiques dans les composites à matrice de carbone renforcés par des fibres de carbone peut être une méthode efficace pour améliorer la résistance aux chocs.

Le nouveau revêtement, un alliage ternaire de zirconium, de titane, de carbone et de bore, est déposé dans les composites de carbone par un processus connu sous le nom de pénétration réactive par fusion. Bien qu'il présente des propriétés similaires à celles d'autres céramiques de carbure, sa concentration relativement faible en bore le rend moins susceptible d'être ablaté, et la structure de carbone contribue à empêcher le matériau de se déchirer sous l'effet du choc thermique. Les résultats expérimentaux montrent que le revêtement en carbure présente une meilleure résistance à l'ablation sous 2000 ~ 3000 ℃.

Perspectives d'application du nouveau revêtement céramique en carbure

À l'heure actuelle, le nouveau revêtement est largement utilisé dans l'aérospatiale, où il est plus sûr que les matériaux traditionnels, car les engins spatiaux peuvent être soumis à des températures extrêmes lorsqu'ils traversent l'atmosphère.

Le PDG de Boeing, M. Dennis, a déclaré que les nouveaux avions de passagers supersoniques pourraient être mis en service au cours de la prochaine décennie, ce qui permettrait de réduire la durée des voyages de 700 %. Actuellement, les avions civils volent généralement à des vitesses subsoniques, et une fois que l'avion supersonique civil sera réalisé, le temps de voyage mondial sera considérablement réduit, ce qui facilitera la communication entre les personnes. Bien que l'avion de ligne supersonique n'ait pas encore été largement utilisé dans nos vies, la découverte de ce matériau de revêtement aidera sans aucun doute les avions supersoniques à devenir commerciaux plus rapidement !