聚焦 | 新材料让火箭引擎更耐高温

摘要: 目前的火箭引擎内部温度可高达1600℃,这样的高温足以融化钢铁。而未来的引擎甚至需要达到更高的温度,因为更高温的引擎意味着更高效,能产生更强推力,运载更多货物——对火星探索飞船和更好的飞机来说,这些性能也至关重要。

    目前的火箭引擎内部温度可高达1600℃,这样的高温足以融化钢铁。而未来的引擎甚至需要达到更高的温度,因为更高温的引擎意味着更高效,能产生更强推力,运载更多货物——对火星探索飞船和更好的飞机来说,这些性能也至关重要。


 

  为了让火箭耐受更高的温度,工程师发明了坚固且轻巧的碳化硅纤维复合材料,将比头发丝还细的碳化硅纤维镶嵌在陶瓷介质中。碳化硅能经受住2000℃的高温,这是新引擎的理想温度。目前这种复合材料的制法是,将碳化硅纤维编织物分层,在空隙中填充多孔的陶瓷。不过这种令人惊叹的复合材料在引擎的高压下会开裂,因为纤维之间会滑动,并把陶瓷挤出去。

 

  美国莱斯大学(Rice University)和美国航空航天局格伦研究中心(NASA Glenn Research Center)的科学家对此进行了改进。他们制造了“毛茸茸”的碳化硅纤维,其表面就像尼龙搭扣的微观版本。近期的《应用材料与界面》(Applied Materials & interfaces)上报道了这种纤维,它们的绒毛互相缠结,将彼此牢牢锁住,如此一来纤维就很难滑动,不会陶瓷材料挤出。

 

  为了制造这种材料,研究者首先在碳化硅表面培养出卷曲的碳纳米管,就像卷发一样。然后他们使这些纤维蘸上超细硅粉,并进行加热。这使碳纳米管转化成了碳化硅纤维。研究团队将这些绒毛纤维填入透明的、富有弹性的塑料中,以测试它们的强度。结果显示绒毛纤维的强度是光滑纤维的4倍。NASA工程师、研究的合作者珍妮特·郝斯特(Janet Hurst)称,研究团队目前想测试新的卷曲纤维在陶瓷介质中的表现。他们还想用卷曲的氮化硼纳米管覆盖纤维的表面,因为氮化硼除了强韧,还能抵抗氧气对纤维的损害。

 

  碳化硅纤维非常强韧,不容易横向折断,但在高压下可能会纵向裂开。康涅狄格大学(University of Connecticut)材料科学研究所的主任史蒂文·苏波(Steven Suib,未参与这项研究)认为,新的纤维能够耐受这种损伤,因为那些软软的绒毛能够分散压力。

来源:环球科学

 


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