新一期SCIENCE（十一月二十日刊）邀请威斯康星大学材料科学家John H. Perepezko介绍了热涡轮机用材料的挑战。问题是这样，随着能源的紧缺，工程师不得不的对于涡轮机系统的设计做出革新，一个基本的原则就是使得涡轮中气体温度尽可能地高，这样可以提高做功能力（输出功率）。除了需要满足材料本身的高熔点以外，提高温度的瓶颈在于引擎中推杆和叶片材料的高温寿命，主要有两个方面：高温耐氧化性和抗蠕变性。前者比较好理解，常规镍合金在高温氧化以后会形成表面缺陷，材料逐渐变脆和腐蚀。后者意味着材料在高温承受负荷下抗形变的能力，对于高精密仪器这是非常重要的参数。能满足这些要求的当前只有几种合金材料和共价键陶瓷，合金包括镍合金、铌合金和钼合金，Perepezko教授在文章有了较详细的介绍。合金有温度限制，如果不使用冷却装置的话涡轮机内部温度可达2500度，叶片上使用冷却系统浪费了很多的热能也增加了设计成本和载荷。

热机效率和温度的关系

陶瓷材料中比较有希望的是碳化硅、氮化硅和两者的复相陶瓷材料。共价键陶瓷材料存在的问题在于制备成本高和高精度成型困难，由于原子扩散速率比较低，致密烧结也是很大的问题（烧结温度往往达到2000度）。另外，陶瓷的热冲击性能也需要重点考核，合金材料具有很好的韧性不存在这个问题。我所在小组曾经用前驱体的方法获得了碳化硅/氮化硅复相陶瓷，高温蠕变结果是非常好的，在1400度100兆帕的测试条件下，材料的蠕变速率只有10^-10数量级，这是目前报道中最好的数据。但是材料比较脆，这是矛盾。如果有好的方法平衡一下这个矛盾，未来引擎中使用高温陶瓷还是非常有前途。80年代天津大学和上海硅酸盐所曾经主持了陶瓷发动机的项目，但是一个主要问题大概是陶瓷的精密加工比较困难，密封性能和集成都难解决。如果在沙漠中跑跑发动机内部绝对污染严重，当然还有其他的高温寿命问题。不过陶瓷科学家绝不会气馁，总会找到好办法的。

不同材料的高温蠕变

参考文献

1，J. Am. Ceram. Soc., 89 [1] 274–280 (2006)

2，Science, 326, 1068, 2009

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