Oxidation-based materials selection for 2000°C + hypersonic aerosurfaces: Theoretical considerations and historical experience

氧化物 材料科学 固体力学 高超音速 热力学 化学工程 复合材料 工程类 冶金 物理
作者
Mark M. Opeka,Inna G. Talmy,James A. Zaykoski
出处
期刊:Journal of Materials Science [Springer Nature]
卷期号:39 (19): 5887-5904 被引量:871
标识
DOI:10.1023/b:jmsc.0000041686.21788.77
摘要

Hypersonic flight involves extremely high velocities and gas temperatures with the attendant necessity for thermal protection systems (TPS). New high temperature materials are needed for these TPS systems. A systematic investigation of the thermodynamics of potential materials revealed that low oxidation rate materials, which form pure scales of SiO2, Al2O3, Cr2O3, or BeO, cannot be utilized at temperatures of 1800°C (and above) due to disruptively high vapor pressures which arise at the interface of the base material and the scale. Vapor pressure considerations provide significant insight into the relatively good oxidation resistance of ZrB2- and HfB2-based materials at 2000°C and above. These materials form multi-oxide scales composed of a refractory crystalline oxide (skeleton) and a glass component, and this compositional approach is recommended for further development. The oxidation resistance of ZrB2-SiC and other non-oxide materials is improved, to at least 1600°C, by compositional modifications which promote immiscibility in the glass component of the scale. Other candidate materials forming high temperature oxides, such as rare earth compounds, are largely unexplored for high temperature applications and may be attractive candidates for hypersonic TPS materials.
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