飞机制造商及其在政府和工业领域的客户已经投资设计在极高温度下工作的新型飞机发动机，这意味着发动机可以在燃烧更少燃料的同时产生更多能量。然而，非常高的温度可能是一个问题，用于制造发动机的材料。

弗吉尼亚大学工程与应用科学学院材料科学与工程埃德加·斯塔克教授海顿·瓦德利(Haydn Wadley)和瓦德利小组的博士后研究助理Jeroen Deijkers发现了一种方法，可以大大延长这些喷气发动机中使用的材料的寿命。他们的论文“环境屏障涂层系统的双相结合涂层方法”发表在2021年9月的《科学》杂志上Acta Materialia。

喷气发动机吸入大量空气，压缩后与碳氢化合物燃料混合，在燃烧室燃烧，为飞机的推进系统提供动力。燃烧室温度越高，发动机效率就越高。”

现在飞机发动机的燃烧温度达到或超过1500摄氏度，远远高于通常由镍和钴合金制成的发动机部件的熔化温度。研究人员已经转向能够承受这种温度的陶瓷，但它们必须在极端燃烧环境中与水蒸气和未燃烧的氧气发生化学反应。

碳化硅是首选的陶瓷。然而，由碳化硅制成的发动机部件只能维持几千小时的飞行时间。在这样的高温下，碳元素与氧反应生成一氧化碳(一种气体)，而硅元素生成二氧化硅(一种固体)，但二氧化硅与水蒸气反应形成气态的氢氧化硅。换句话说，发动机部分逐渐变成气体，消失在尾管。

为了保护陶瓷部件，发动机制造商在碳化硅上涂上一层两层涂层，称为环境屏障涂层系统。外层的设计是为了在飞行过程中减缓氧气和水蒸气向碳化硅的扩散，而内部由硅制成的粘合层通过与氧气反应形成一层薄薄的二氧化硅来保护碳化硅的表面。但是这种设计仍然存在挑战。

Wadley说:“发动机部件的寿命通常取决于二氧化硅层厚度达到临界点所需的时间，在这个临界点上，反复加热和冷却过程中膨胀和收缩所产生的应力会导致涂层脱落。”

科学家和工程师有两种基本策略来延缓涂层的分离，延长昂贵的发动机部件的寿命。他们可以使外层涂层非常厚，以减缓氧气到达粘合层的速度，但这会增加重量和成本。或者，他们可以创造一种不同的保护性氧化物，一种不会“脱落”的氧化物。

戴克思和瓦德利采取了第二种策略。

他们的解决方案使用了一层外层的二硅酸钇，这是一种稀土元素，具有硅和碳化硅的热膨胀特性，并且向硅层输送氧气和水蒸气的速度很慢。他们首先沉积了硅键涂层，然后在硅和二硅酸钇外层之间放置了一层薄薄的氧化铪。

他们的实验研究表明，当二氧化硅在硅上形成时，它会立即与铪发生反应，形成硅-铪氧化物，或称铪。hafnon的热膨胀和收缩与涂层的其余部分相同，永远不会导致涂层脱落或开裂。Wadley称其为添加一点“半仙粉”。

Deijkers说:“当我们在硅上沉积一层非常薄的铪，然后是一层二硅酸钇时，通过二硅酸钇的氧气会与底层材料发生化学反应，形成铪。”

Deijkers获得了Wadley实验室的独特设备，特别是定向气相沉积系统，使环境屏障涂层取得了突破。能够沉积一层比人类头发直径还薄的二硅酸钇薄膜是他们成功的关键。

定向气相沉积工艺使用强大的10千瓦聚焦电子束在低压室中熔化材料。超音速气体射流将蒸汽输送到硅涂层的碳化硅上，在那里它凝结，形成一层薄膜。然后，他们使用等离子喷涂方法沉积最终的二硅酸钇层，然后涂层组件准备进行测试。

Deijkers在2020年10月成功地为他的论文辩护，将他对飞机和高温材料的兴趣结合在他的博士研究中，并跟随他父亲的道路进入材料科学和工程领域。

“我爸爸以前在挖泥船上工作。看到泵房在炉子里发出橙白色的光，我就这样发现了工程上的错误，”德杰克斯说。

Deijkers来自荷兰，他将这些早期的记忆与他在荷兰空军服役的兴趣结合起来，在代尔夫特理工大学获得了航空航天工程学士和硕士学位。

当Deijkers开始申请美国的博士课程时，他关于热障涂层的硕士论文引起了Wadley的注意。Deijkers的到来恰逢其时。小组成员布拉德·理查兹于2015年在弗吉尼亚大学获得材料科学与工程博士学位，他开发了用于陶瓷的硅-二硅酸钇涂层系统，随后发现该系统与飞机发动机制造商使用的涂层非常相似。

Deijkers的论文改进了Richards的涂层系统，加深了对所涉及的表面化学的理解，并增加了涂层系统在商业应用中的可行性。

Deijkers说:“推动我研究的一系列问题集中在半衰子在氧化过程中形成需要多长时间。”“我想了解这个过程是如何运作的，以及我们是否可以真正使用它。

“这种涂层的潜力比我们想象的要大;我们需要开发它，并将其应用到实际的发动机中，以便在商业化的道路上走得更远。”

今天的方法源于20世纪70年代发展起来的沉积技术。

“与工业上最先进的技术相比，我们的研究取得了重大进步，”Deijkers说。“我粗略估计，如果工业制造商能够实施这些新的加工技术，他们可以将发动机零件的使用寿命延长200倍。但要达到这样的水平，还有很多障碍要克服。”

Wadley的研究小组在海军研究办公室的支持下取得了这些进展，海军研究办公室在六年的时间里连续两次授予Wadley的团队资助。

“我们必须解决的问题是多学科和多机构的，”瓦德利说。“为了取得进步，我们需要将力学、化学和材料科学的知识融合在一起。除了减少二氧化碳的迫切需要之外₂通过推进技术，我们的研究支持全球从含碳碳氢化合物向氢燃料的转变，并最终实现航空旅行平台的电气化。”

尽管Deijkers希望吸引私营企业参与到团队的涂层系统和沉积过程中来，但他的职业抱负是在国家实验室或学术界追求科学发现。

“这个国家迫切需要这方面的人才，”瓦德利说。“我们迫切需要聪明、有创造力的人，他们愿意接受培训，为未来的社会解决这类问题。”

就像Deijkers继续理查兹的研究一样，他鼓励弗吉尼亚大学工程系的本科生参与到Wadley小组正在进行的跨学科研究中。

“我们有航空航天工程、物理、系统工程专业的本科生，”Deijkers说。“我们正在研究这个问题的很多不同方面——计算机建模、材料合成、热机械寿命设计。我们总是有本科生要做的事情，我们总是对他们和我们一起做研究持开放态度。”