材料科学与工程前沿2新型航天陶瓷.pptx
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材料科学与工程前沿2新型航天陶瓷.pptx
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新型空天陶瓷材料,特种陶瓷及材料计算,国际空间站(360公里高空),航天新热点,临近空间飞行器高超声速飞行器,特种陶瓷及材料计算,2.地球空间环境与工程,特种陶瓷及材料计算,近空间,一般指距地面20100千米的空域,处于现有飞机最高飞行高度和卫星最低轨道高度之间。
这一区域是飞机上不去、卫星下不来的未开发和待利用空间,对于情报收集、侦察监视、通信保障以及对空对地作战等有特殊和广阔的应用前景。
特种陶瓷及材料计算,近空间环境特点,空气稀薄,但不是高真空含氧气、原子氧臭氧层,特种陶瓷及材料计算,近空间飞行器,够飞行在近空间执行特定任务的飞行器,集成了卫星和飞机的优势效费比高、机动性好、易于更新和维护、持续工作时间长、覆盖范围广。
特种陶瓷及材料计算,高超声速飞行器,超声速:
1-3Ma高超声速:
5Ma端头2000-3000度,翼前1800-2200,机身800-1200高温、超高温、氧化、长航时,特种陶瓷及材料计算,高超声速飞行器,特种陶瓷及材料计算,14年1月9日,中国突然测试了一种新的高超音速滑翔飞行器,被称为WU-14,特种陶瓷及材料计算,对材料的要求,抗烧蚀、热防护、热结构、高温功能高温、超高温陶瓷,特种陶瓷及材料计算,新型空天陶瓷材料,抗烧蚀材料2000-3000(ZrB2、C/C、)轻质高温隔热材料:
0.4g/cm3(气凝胶)高温结构材料:
1000-2000(C/C、C/SiC)高温透波材料(SiO2/SiO2、多孔Si3N4)发动机高温材料热密封材料,特种陶瓷及材料计算,抗烧蚀材料特性,物理:
高熔点、高粘度、蒸汽压低化学:
无或者很高的分解温度、抗高温氧化性能好,超高温材料及其密度,碳材料,从物理层面来看,碳材料熔点高而密度低,是理想的空天抗烧蚀材料单一的碳材料如石墨,强度不高纤维增强碳材料Cf/C复合材料可以解决强度和韧性的问题从化学层面上看,温度高于400的有氧环境中发生氧化反应隔绝氧气是碳材料作为抗烧蚀材料的前提条件,高温抗氧化涂层,SiC抗氧化保护涂层(SiCVR;SiCPIP)涂覆HfC+SiC(美国)HfC+TaC涂层(俄罗斯),超高温陶瓷(Ultra-highTemperatureCeramic,UHTC),指熔点超过3000的硼化物、碳化物ZrC、HfC和TaC的熔点比它们的氧化物高得多,无固相相变,具有较好的抗热震性,在高温下仍具有高强度,但是这类碳化物陶瓷的断裂韧性和抗氧化性非常低。
TiB2,ZrB2,TaB2,HfB2具有高熔点、高硬度、高粘接特性、低挥发率、高热导率和电导率等突出优点,使其成为超高温结构部件的侯选材料,超高温陶瓷的研究课题,烧结问题脆性及热震性问题高温抗氧化问题,超高温陶瓷ZrB2的烧结,致密化需要接近2200的高温和超高的压力粉体细化、活化添加烧结助剂SiC含硅有机前驱体,超高温陶瓷ZrB2的增韧,纳米结构强化颗粒弥散强化晶须、纤维强韧化,超高温陶瓷ZrB2的氧化,1200以下具有良好的抗氧化性能,由于材料表面生成了液态B2O3的缘故。
而B2O3在1200以上快速蒸发,导致ZrB2发生快速氧化,超高温陶瓷ZrB2的氧化,SiC的加入可以显著提高它的抗氧化性能,高温时形成的硼硅酸盐玻璃相覆盖在材料表层,在1600以下具有良好的保护作用,SiC基复合材料,Cf/SiC复合材料具有耐高温和抗热震性能、高耐磨性和硬度、耐化学腐蚀特性、高导热、低热膨胀系数(110-6410-6K-1)等优异的性能抗氧化性能较差气孔、纤维与基体热失配SiC的活性氧化在2000开始软化,2700会分解,不能在3000以上的超高温条件下使用,高温隔热材料,热障涂层材料,导热率低抗氧化、腐蚀耐冲刷与基体结合强度高,热匹配好无相变,氧化锆系列,6-8%Y2O3稳定ZrO2高熔点2700C低热导2.3w/mK高热膨胀10E-6高温化学稳定性好力学性能好无相变,焦绿石/萤石A2B2O7,复杂的晶体结构本征氧空位浓度1/8稀土锆酸盐、铈酸盐更低的弹性模量、更低的热导率掺杂可进一步降低热导率,其他体系,稀土磷酸盐钙钛矿锆酸盐其他复合氧化物,热障涂层制备技术,等离子喷涂电子束物理气相沉积(EBPVD),超级绝热材料特征,纳米孔径非常高的气孔率(8099.8%)孔壁耐高温热导率低于静止空气的0.026w/(m.K),气凝胶Aerogel,当凝胶脱去大部分溶剂,使凝胶中液体含量比固体含量少得多,或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体,外表呈固体状,这即为干凝胶,也称为气凝胶。
气凝胶是一种固体物质形态,世界上密度最小的固体。
密度为3kg/每立方米。
干燥的松木密度500千克每立方米一般常见的气凝胶为硅气凝胶,其最早由美国科学工作者Kistler在1931年制得。
气凝胶的制备方法,溶胶-凝胶超临界干燥常压干燥,氧化硅气凝胶,正硅酸乙酯(tetraethylorthosilicate,TEOs)水解、缩合,形成凝胶,超临界干燥supercriticaldrying,通过加温、加压,使泥浆的温度和压力超过其液相的临界点,在高压下排气,除去液相的工艺。
超临界干燥通过压力和温度的控制,使溶剂在干燥过程中达到其本身的临界点,完成液相至气相的超临界转变。
过程中溶剂无明显表面张力,在维持骨架结构的前提下完成湿凝胶向气凝胶的转变。
超临界干燥使用的器具为高压釜,高压釜的密闭性要求高。
通常超临界干燥工艺需要的实验周期相对较长、产量较低、成本较高。
常用介质的临界条件,常压干燥,用表面张力小的有机溶剂替换醇凝胶中的水和醇在凝胶前加入干燥控制化学添加剂,能够均匀凝胶的网络孔道,使毛细孔内的应力差别变小,从而减小凝胶开裂的倾向,多层隔热复合材料,纤维隔热毡隔开的多层反射屏蔽的轻质隔热系统反射屏:
金属箔,石墨涂层,反红外涂料,反射0.75-2.5m波段的近红外光Mie散射理论分散高折射率的一定粒径的颗粒气凝胶的遮光改性高反射率、高辐射率、低导热系数、低蓄热系数,纤维表面改性,石英纤维表面涂覆高折射率的TiO2或ZrO2提高高温辐射热阻,高温绝热材料的课题,纳米多孔结构的耐高温问题(1500)抗高温辐射传热,高温透波材料,高温烧蚀透波材料高温宽频透波材料,透波材料,电磁波透过材料(可见、红外、雷达波)低介电常数、低磁导率(实部、虚部),微波透过材料,聚合物基复合材料低介电常数陶瓷基复合材料,高温微波透过材料,氧化硅(3):
烧蚀透波材料氮化硅(7):
多孔氮化硅,宽频透波材料,烧蚀透波材料,石英纤维增强石英复合材料烧蚀问题强度问题隔热问题,宽频透波材料,多孔氮化硅陶瓷气孔率与强度问题封孔问题,空天陶瓷材料小结,耐高温抗氧化低导热电磁波透过,特种陶瓷及材料计算,
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