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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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