论文陶瓷热障涂层将为中国大飞机带来质的飞跃，该文是关于飞机相关研究生毕业论文范文跟热障和陶瓷热障涂层和大飞机相关学术论文怎么写.
百余年来,中国人都怀揣着一个航空梦.1909年,冯如设计的中国航空史上第一架飞机“冯如一号”首飞成功,跨越百年,从2008年开始,令人瞩目的国产大飞机C919项目正式启动,2009年,正式开工建造；2015年,首架机总装下线；2017年5月,成功首飞.不到10年时间,中国人制造出自己的大飞机,并在世界航空领域占有一席之地,这是新时期中国追逐大飞机梦跨出的第一步,也是中国商飞在航空领域的一个新突破.
然而,当国人争相为C919的成功飞行欢欣雀跃之时,却也有人在为中国大飞机的未来发展呕心沥血,其中就包括来自昆明理工大学材料科学与工程学院的冯晶教授,他也是2015年中组部第十一批“千人计划”青年人才入选者.众所周知,航空发动机如同飞机的“心脏”,它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性,是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现.然而,航空发动机的高速运转对材料的耐热性要求十分严苛,研究耐高温的热障涂层材料不仅是目前国内外关注的焦点,更是冯晶教授研究的重点.
YSZ材料已经不能满足未来
大飞机发动机需求
热障涂层利用陶瓷的隔热和抗腐蚀的特点来保护金属材料,以达到提高性能、提高可靠性和延长使用寿命的目的,已经广泛应用于航空、航天、大型火力发电和冶金、石油、化工等行业管道运输等领域,具有极高的应用价值.上世纪40年代末50年代初,国际上已经开始研究热障涂层,并从此不断创新发展.然而,值得注意的是,热障涂层的双层涂层系统结构——“粘结层+陶瓷层”几十年来基本保持不变,其主要原因在于,陶瓷层直接使用在发动机热端部件上,其粘结性很差,容易出现开裂.这个时候,就需要一个类似于胶水一样的东西,也就是所谓的粘结层,将热端部件和陶瓷层粘起来,这样可以有效防止热障涂层在高温下开裂,延长使用寿命.
冯晶教授提出,在热障涂层技术领域目前最为成熟的就是以美国战斗机F22为代表的发动机材料,即传统所说的以部分稳定的稀土氧化钇掺杂氧化锆（YSZ）材料为主的传统陶瓷热障涂层,这种材料的优点主要包括熔点低,热导力低,弹性磨量相对恰当,韧性较好,这些都是其他陶瓷材料不具备的.但缺点是在飞机起飞降落过程中,往往会因为发动机的快速热循环而发生相变,从而产生裂纹,减少飞机使用寿命的同时,也极有可能造成灾难性的后果.
最重要的一点是,YSZ材料不能用于高于1200摄氏度的发动机,因为这样会大大降低发动机寿命,而且还限制了飞机发动机的效率,影响飞机的速度或效率.所以说要想发展大飞机,或者更先进的战斗机,第一步要做的就是提高发动机温度.有专家称,未来发动机燃气温度将达到2000摄氏度,而此时,叶片的温度可能达到1200、1300甚至1400摄氏度,在这么高的温度下传统的YSZ材料即使再好,性能再优秀,也没办法回暖,这就使得该材料完全失效.
正是在这种情况下,所有国内外该领域的专家学者都在寻找更合适更能够耐高温的新材料,我国很多大学也都加入了这一研究队伍,并且主要研究方向都瞄准了低热导材料,希望能够满足这样的高温要求,同时,在性能上也能够与YSZ不相上下.
然而,冯晶教授发现,很多专家都忽略了YSZ本身就是一种热导率极低的材料,并且其高温韧性非常好,传统情况下氧化钢材料高于1200摄氏度以后,就没办法再完成降低过程,而这之后所有的问题也就无从谈起了.但总而言之,YSZ已经不适应未来飞机发动机对涂层的要求,研究新的替代品势在必行.
陶瓷热障涂层材料研究迫在眉睫
如今,我国歼20已经上天,歼10已经飞的很好.但是它们却有一个共同的弊端,那就是其发动机都是国外进口的.而在所有进口的发动机领域里面,本应该有属于我们国内的一部分技术产权,但很可惜的是,我国目前在该技术领域发展还很滞后.以前,我国的大飞机发动机使用的全是金属材料,直到最近几年才开始使用热障涂层材料,作为隔热防护涂层,但是放上去的效果并不明显,主要问题是寿命比较短,原因是国内热障涂层材料的工艺技术还不够成熟.
另外,美国在陶瓷热障涂层材料上的研究开展已久,目前,GE、西门子、三菱等企业都在紧锣密鼓的开展新型热障涂层材料研究,他们的下一个目标是热障涂层材料将燃气轮机的燃烧温度提高到1600-1800摄氏度甚至更高的温度（三菱重工已攻克1600摄氏度）. 我国在热障涂层材料的基础研究上,虽然目前已经能够与德日等发达国家相媲美.但现实情况却是使用一样的材料,发动机和燃气轮机的质量却相去甚远.主要原因就是发达国家的工业基础相对完善,产业链各个地方都相对成熟,所以成品误差范围控制在1%——2%,因而产品性能非常稳定.然而,中国只在单一材料上有所突破,其他零部件却无法赶上新材料发展的步伐,真正生产时才发现不少地方还是研究空白,最后将就生产的产品稳定性可想而知.工业制造是一个系统工程,每个环节都会对产品性能产生影响,短板制约了产品的最终性能.
为了有效解决这些问题,提高我国在大飞机制造领域的话语权,冯晶教授及团队积极开展了陶瓷材料性能物理机制探索,发现低热导、高热膨胀陶瓷化合物的规律,设计合成了新型低热导高热膨胀系数的复杂稀土铝酸盐Ba6RE2Al6O15,其高温热导率低至0.98W/m.K,热膨胀系数达到14*10-6/K,其材料的综合性能指标创造了世界之最.
另一方面,冯晶与合作者一起用半经验的方法改进了第一原理计算方法,建立了一套可以计算在不同温度下材料基本性质的方法,能够把陶瓷高温相变、裂纹对性质的影响进行定量测定,这一发现对目前航空发动机涂层高温性能变异提供了理论支撑.
在陶瓷高温相变与机制方面,冯晶把第一原理计算与朗道相变理论相融合,发现了软模引起的赝弹性相变这一新的固体相变模式,获得新型高温铁弹相变增韧陶瓷YTaO4,有望解决陶瓷热障涂层高温力学性能变差的问题,自此打开铁弹陶瓷材料高温性能的科研之窗.这也就意味着,他研究的新型热障涂层材料能通过高温铁弹效应作为缓冲带,通过缓慢吸收和释放能量来减轻发动机材料压力,并具有更低的热导率从而大大提升航空发动机性能,相关性能指标将达到或超越美国现役材料,如高温热导率低于1W/m.K,热扩散达到0.4mm2/s,热膨胀系数不低于12*10-6/K等.
同时,冯晶教授带领团队与哈佛大学开展合作,通过高温铁弹效应作为缓冲带,缓慢吸收和释放发动机快速运转过程中涂层的热应力,提高发动机涂层的性能.实验证明,他们研究的陶瓷热障涂层材料可以维持燃气轮机在1600摄氏度的高温下工作,这是目前世界上燃烧温度最高的燃气轮机.并且这些新的陶瓷热障涂层材料已经在除军事以外的其他领域实现了完全国产化的应用.并且这一成果有望在下一代热障涂层材料中使用,将使我国发动机涂层材料站立于世界科技前沿.
新型陶瓷热障涂层材料市场广阔
其实,除了应用于大飞机的发动机,在我国冶金和化工行业的管道运输中,管道腐蚀非常严重,包括中石化和中石油等在内的大型企业都对防腐蚀、耐高温、抗氧化的涂层材料需求也非常大.这种现实需要激发冯晶不断完善自己的研究,逐步在民用领域打开陶瓷涂层市场.军用航空发动机的涂层材料研究是不计成本的,但是民用企业的首要目标是追求效益.因此,他们不仅做陶瓷涂层,还根据民用企业的现实需要,针对性地做金属涂层和有机涂层,在满足企业产品质量要求的基础上,最大程度地降低成本.
目前,冯晶正在和从事发动机和叶片研究的军方研究所进行交流,希望能够说服军方研究所使用自己研究的先进涂层材料.航空发动机叶片的涂覆成本高达几百万,没有人能保就涂覆材料成功,几次下来,科研经费要花几百万甚至上千万.所以他们不敢贸然将其用于军方研究.
冯晶表示,如果能够把已经掌握的前沿科技转化到民用领域,对飞机建设来说不仅节省工厂生产成本,而且可以延长设备使用寿命,总体来说对我国飞机发展大有好处.从冯教授考察国内众多企业状况来看,包括很多大型国有企业和民营企业都存在类似的问题,一直没有适合的人帮他们解决这些问题.这是摆在冯教授前面的一个机遇和挑战,为此,他们刚好可以顺势而为,必将大有作为.
冯晶认为,在矿物、有色金属冶金、新材料和化工等这一些传统产业中,加入互联网元素是大势所趋,搭建高密度科学计算技术平台,不仅会成为支撑西部传统产业发展的重要力量,而且能够让更多的社会民众了解新材料的发展,让更多的专家学者参与进来.为此,他一方面将加快云南省急需的新材料研发与应用,另一方面继续在陶瓷材料方面纵向挖掘,为航空航天领域研制出更有应用价值的新材料,为我国的科技发展做出更大的贡献.
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参考文献：
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