2011年4月14日
去年冰岛火山爆发后，欧洲领空关闭，耗资20亿美元。这一事件提醒了所有人注意火山灰云可能对飞机引擎造成的危险。
现在，研究人员发现了一种新型陶瓷涂层，可以在未来为喷气发动机提供特殊的保护，防止火山灰对其造成的损害。
在《先进材料》早期版在线发表的一项研究中，研究人员测试了两种最初用于防止空气中的沙子损坏喷气发动机的涂层，发现这些涂层也能抵抗灰尘沉积造成的损坏。亚博网站下载
“当然，喷气式飞机最好首先避免飞灰，”工程学院杰出教授尼廷·帕杜雷（Nitin Padture）说俄亥俄州立大学，他领导了这项研究。“这并不总是可能的。我们确定这些涂层能够提供足够的保护，防止发动机随着时间的推移吸入少量的灰尘。”
然而，他解释说，大量的火山灰会暂时堵塞喷气发动机，导致引擎熄火。这些涂层在那些极端情况下是没用的。
发动机内部的温度高达2500华氏度，陶瓷热障涂层将金属发动机部件与该热量隔离。吸入的灰烬融化到涂层上并穿透涂层。冷却后，熔融的灰烬形成一个易碎的玻璃，剥落，带走涂层。
这对Padture来说是一个熟悉的故事，他之前发明了一种新的涂层组合物，以防止类似的沙子对发动机造成的损坏。
和沙子一样，火山灰主要由二氧化硅构成。2010年4月冰岛火山Eyjafjallajökull喷发时，喷出大量硅酸盐火山灰。
“火山灰构成的威胁与沙子非常相似，但火山灰的成分因火山的类型而异。在冰岛发生的事情之后，我们想看看火山灰与我们新的热障涂层如何相互作用，以及潜在的破坏机制是否有任何不同，”他说。
博士生朱莉·德雷克斯勒和安德鲁·格莱德希尔从金属碎片上提取了陶瓷涂层的样品，并在上面涂上了Eyjafjallajökull火山喷发的火山灰。然后，他们在熔炉中加热样品，以模拟喷气发动机产生的高温。
他们试验了一种典型的喷气发动机涂层和两种防砂涂层。一种是帕迪的分子式，含有氧化锆和氧化铝，另一种是以锆酸钆为基础的新的商用分子式。
在试验中，火山灰严重破坏了典型的涂层，而Padture配方和锆酸钆配方的涂层保持了其整体结构。
通过观察样品的横截面，研究人员发现了原因：熔融的灰烬穿透了典型陶瓷涂层的孔隙，一直渗透到其底部。但在另外两个地方，熔融的火山灰几乎没有穿透。
德雷克斯勒解释了为什么气孔很重要。
“孔隙使涂层具有应变耐受性，”她说。“当发动机在飞行中加热时，以及着陆后冷却时，它们为涂层的膨胀和收缩腾出空间。当所有的孔隙都被灰堵塞时，涂层无法再适应温度，因此会断裂。”
在防砂涂层上，灰分只填充了接近表面的孔隙。化学分析显示，灰与第一层涂料中的氧化铝发生反应，在表面以下产生一层薄的钙长石矿物，而在锆酸钆上产生一层磷灰石矿物。
格莱德希尔说:“化学反应阻止了火山灰渗入涂层。”“未受影响的毛孔允许涂层扩张和收缩。”
现在，研究人员正在用一个新的装置重复他们的实验。他们用强力喷灯一次又一次地加热样品，然后让它们冷却，以更接近地模拟发动机的条件。
这两种防砂涂料都比普通涂料贵，但研究人员认为其好处大于成本。
帕迪说:“这项研究不会解决火山灰云和喷气发动机的所有问题，但我们正在取得进展，我们已经了解了很多有关情况的物理学知识。”
但这并不是他们学到的全部。
“我们还学会了如何发音‘Eyjafjallajökull’。”
俄亥俄州立大学先进材料论文的合著者包括博士后学者Kongara Reddy亚博网站下载。这些工程师与石溪大学的Kentaro Shinoda和Sanjay Sampath以及俄罗斯科学院的Alexander Vasiliev合作。亚博老虎机网登录冰岛大学火山学家尼尔斯Óskarsson提供了Eyjafjallajökull火山灰的样本。
这项研究的部分资金由海军研究办公室、能源部和国家科学基金会提供。亚博老虎机网登录