喷气发动机的燃烧心脏如何不融化而运转

夏天即将来临，但高温已经开始。从无情的阳光到炙热的烧烤，炎热（和降温）已经成为日常生活的一部分。PopSci将通过最新的科学、装备和智能 DIY 创意帮助您轻松度过最炎热的季节。欢迎来到炎热月份。

当你想做饭时，厨房里的烤箱很容易加热到 400 华氏度左右，但世界上还有很多地方温度要高得多。你可能没有过多考虑这些，但旧灯泡里的灯丝、喷气发动机的内部和航天器上的隔热罩都会遇到高得多的温度。这些环境需要特殊材料来处理这种极端的高温。

这些物质使得这些地方能够正常运转，不会熔化、燃烧、崩塌或起火。

陶瓷现在很流行

材料科学家认为物质分为三类：陶瓷、金属和聚合物（又称塑料）。陶瓷的耐热性最强，聚合物的耐热性最差，不过工程师在选择合适的材料时还必须考虑其他特性，如导电性或重量。

但当谈到世界上最热的地方时，陶瓷材料总是首选。

西北大学材料科学与工程学教授戴维·邓南 (David Dunand) 表示：“陶瓷的熔点最高。”除了能很好地应对当下的高温之外，陶瓷还能经受长期高温，而不会像其他材料那样迅速降解。

陶瓷的例子包括玻璃、砖块和陶器等常见物品。你的厨房里甚至可能有一把陶瓷刀，锋利但易碎。

其抗性的关键在于材料在原子层面上的键合：它们是共价键，非常耐用。（还记得高中化学吗？抱歉。）“热振动不会破坏原子之间的键合，” Dunand 解释道。

陶瓷材料非常适合炼钢的高炉等场所。这些材料需要长时间承受超过 3,000 华氏度的高温。“高炉永远不能停止，”Dunand 说。“一旦启动，它就必须 365 天不停运转，否则就会堵塞。”

陶瓷类别有明显的领先者。“对于最热的情况，你实际上会使用碳，”Dunand 指出。“它是高温下的终极陶瓷。”例如，飞机的刹车——或航天器的隔热罩——可能会以不同的形式使用这种材料。

碳在保护 NASA 的帕克太阳探测器免受太阳辐射的隔热罩中起着关键作用。据 NASA 称，它能够抵抗高达 3,000 华氏度的高温，尽管实际上它只能承受约 2,500 华氏度的温度。

你可能听说过一种叫做碳-碳的材料，它通常是碳纤维和另一种元素（通常是石墨）的混合物，西北大学材料科学与工程副教授伊恩·麦克库伊说。帕克太阳探测器的防护罩有两层由碳-碳组成。“它几乎是任何高温飞机的首选材料，”他说。“国防使用它；NASA 使用它。”

喷气发动机内部起火

陶瓷之后是金属，其中有一类特殊的材料非常重要：镍基超级合金。（合金是金属的组合。）Dunand 说，这种材料在喷气发动机的热内部起着关键作用，因为涡轮叶片“直接与燃烧的燃料接触”。

他指出，这种金属混合物不仅耐热，而且“柔韧有韧性”。这意味着即使不幸的小鸟被吸进去，也不会碎裂。

工程师们希望那里的温度更高。“未来，人们希望提高发动机的工作温度——喷气燃料实际上可以燃烧得更热，”他指出。“燃料燃烧得越热，燃料中吸收的能量就越多。”

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他说，这些金属通常能承受约 2,190 华氏度或更低的温度。Dunand 表示，这些合金经过数十年的“微调”，可以应对越来越高的温度。一般来说，它们可以在熔点约 80% 的温度下顺利运行。

GE9X 是一款巨大的现代喷气发动机，其热内部同时使用了金属和陶瓷。

另一种类似喷气发动机的机器也利用了这些镍基超级合金：燃烧天然气的发电机。

“如果你想想，镍基超级合金是我们电力和飞机的核心——所以如果没有它，我们所知的现代生活将会非常困难，”他说。

另一种值得一提的特殊金属是钨，它的熔点是同类物质中最高的。它的熔点高达惊人的 6,192 华氏度，这使得它成为白炽灯泡受控环境中灯丝的不错选择。

最后，聚合物（或塑料）如聚乙烯不耐热。例如，一个热塑性塑料瓶很容易被熔化。但有些观点仍然站得住脚：凯夫拉纤维是一种合成材料，属于热固性聚合物类别。凯夫拉纤维用于防弹背心和防爆服等服装，非常坚固。“强度与熔点相关，”Dunand 说。“因为它是一种高熔点聚合物，所以你可以在高温下使用它。”