上個月和老同學(xué)聚會，他在航天材料研究所干了快二十年。酒過三巡，他忽然感慨：“你們知道嗎?現(xiàn)在飛機(jī)發(fā)動機(jī)里有些關(guān)鍵部件，用的原料居然是沙子——當(dāng)然不是普通沙子，是氧化鋯砂。”這話把我們都說愣了。沙子能上天?今天咱們就來聊聊這個聽起來普通，卻在航空航天領(lǐng)域大顯身手的特殊材料。

一、從“陶瓷也能做零件”說起

十年前我去西安參加一個航空材料展會，第一次看到用氧化鋯陶瓷做的發(fā)動機(jī)葉片試樣。當(dāng)時第一反應(yīng)是：“這玩意兒不是做假牙的嗎?能扛得住發(fā)動機(jī)里上千度的高溫?”展臺的技術(shù)人員笑著給我解釋：“氧化鋯砂經(jīng)過特殊工藝處理后，性能比很多金屬合金還強(qiáng)。”氧化鋯砂，說白了就是純度極高的氧化鋯顆粒。它有個外號叫“陶瓷鋼”，這名字起得真貼切——既有陶瓷的耐高溫、耐腐蝕特性，又通過特殊工藝獲得了接近金屬的韌性。在航空航天這個對材料要求近乎苛刻的領(lǐng)域，這種特性組合太難得了。

二、發(fā)動機(jī)里的“耐熱衛(wèi)士”

航空航天材料最核心的應(yīng)用場景之一就是發(fā)動機(jī)。渦輪葉片要在燃?xì)鉁囟瘸^1600℃的環(huán)境下工作，還要承受巨大的離心力。傳統(tǒng)的鎳基高溫合金已經(jīng)逼近性能極限，這時候，氧化鋯基陶瓷基復(fù)合材料(CMC)開始登上舞臺。

氧化鋯砂在這里扮演了雙重角色：

熱障涂層的骨架材料：現(xiàn)在先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)葉片，表面都有一層熱障涂層。這層涂層就像給葉片穿了件“隔熱衣”，能讓葉片在比材料熔點高幾百度的環(huán)境中工作。氧化鋯砂經(jīng)過特殊處理后形成的陶瓷層，隔熱效果特別好。我聽說某型號發(fā)動機(jī)用了氧化鋯基熱障涂層后，渦輪前溫度提高了將近100℃，燃油效率提升了8%——這在航空領(lǐng)域可是個了不起的數(shù)字。

陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)相：單純的陶瓷太脆，但把氧化鋯纖維或顆粒加入到陶瓷基體中，就能形成“鋼筋混凝土”般的結(jié)構(gòu)。沈陽一家研究所的朋友告訴我，他們做的氧化鋯增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，用在某型發(fā)動機(jī)的噴管調(diào)節(jié)片上，重量比原來金屬件輕了40%，壽命卻延長了三倍?！白铌P(guān)鍵是減重，”他說，“發(fā)動機(jī)上減重一公斤，整機(jī)就能減重好幾公斤，對飛機(jī)來說太寶貴了?！?/p>

三、重返大氣層的“金鐘罩”

航天器返回艙重返大氣層時，表面溫度能達(dá)到2000℃以上。早期的返回艙主要靠燒蝕材料——就是讓表面材料燒掉帶走熱量。但這方法只能一次性使用，而且防熱層很厚很重。

現(xiàn)在的新思路是使用可重復(fù)使用的熱防護(hù)系統(tǒng)。氧化鋯纖維制成的隔熱瓦在這方面表現(xiàn)出色。美國航天飛機(jī)用的就是類似的材料，咱們的神舟飛船、新一代載人飛船也用了相關(guān)技術(shù)。這些隔熱瓦的原料，就是高純度的氧化鋯砂。有個細(xì)節(jié)特別有意思：氧化鋯纖維在高溫下會變得有點“透明”，能透過部分紅外輻射。工程師們反而利用了這個特性——在纖維中添加合適的遮光劑，可以精確控制隔熱性能。這就像給航天器穿了件“智能調(diào)溫外套”，既能防高溫，又能避免內(nèi)部過熱。

四、特殊制造工藝的“幕后英雄”

航空航天零件很多形狀復(fù)雜、精度要求極高，傳統(tǒng)加工方法很難做。這時候，一種叫“陶瓷注射成型”的工藝就派上了用場。簡單說，就是把氧化鋯微粉和特殊的粘結(jié)劑混合，像塑料一樣注射到模具里成型，然后經(jīng)過脫脂、燒結(jié)，得到精密零件。

氧化鋯砂在這里的優(yōu)勢很明顯：

燒結(jié)收縮率很穩(wěn)定，做出來的零件尺寸精準(zhǔn)

原料純度高，燒出來的陶瓷性能一致性好

可以做出用傳統(tǒng)方法幾乎無法加工的復(fù)雜形狀

無錫有家企業(yè)專門做航空航天用的陶瓷零件，他們的老師傅告訴我一個訣竅：“氧化鋯砂的粒徑分布特別關(guān)鍵。太粗了表面粗糙，太細(xì)了收縮不好控制。我們試驗了兩年多，才找到最合適的配比?！爆F(xiàn)在他們做的陶瓷軸承、傳感器外殼，用在好幾個型號的衛(wèi)星和無人機(jī)上。

五、極端環(huán)境下的“穩(wěn)定器”

航空航天器要在各種極端環(huán)境下工作——從地面低溫到高空高溫，從潮濕到真空，還要承受輻射、振動、沖擊。很多傳感器、電子設(shè)備需要特殊的保護(hù)外殼。氧化鋯陶瓷在這方面幾乎是“全能選手”：熱膨脹系數(shù)接近金屬，可以和金屬件很好地配合;絕緣性能好，適合做高壓部件的絕緣體;抗輻射能力強(qiáng)，太空環(huán)境下的性能衰減很慢;化學(xué)穩(wěn)定性極好，不怕燃料、潤滑劑的腐蝕。

我參觀過成都一家做航空航天傳感器的企業(yè)。他們的總工指著一排指甲蓋大小的陶瓷外殼說：“這都是氧化鋯做的。原來用其他材料，在高空低溫下容易開裂。換了氧化鋯陶瓷后，故障率降了九成。貴是貴點，但可靠啊!”

六、研發(fā)前沿的那些事兒

聊了這么多現(xiàn)有應(yīng)用，再說說前沿研究。氧化鋯材料在航空航天領(lǐng)域的潛力還遠(yuǎn)沒有挖盡。自愈合陶瓷：這是最近幾年的熱門方向。在氧化鋯基體中加入特殊相，當(dāng)材料出現(xiàn)微裂紋時，這些相會在高溫下“流動”，自動修復(fù)裂紋。這要是真能實用化，發(fā)動機(jī)葉片的壽命還能大幅延長。

梯度功能材料：同一個零件，不同部位用不同配比的氧化鋯復(fù)合材料。比如葉片根部需要高強(qiáng)度、高韌性，葉尖需要更好的耐熱性。通過梯度設(shè)計，可以實現(xiàn)“一個零件，多種性能”。國內(nèi)已經(jīng)有研究團(tuán)隊在做這方面的工作，進(jìn)展挺快。3D打印陶瓷零件：現(xiàn)在金屬3D打印已經(jīng)很常見了，陶瓷3D打印正在突破。氧化鋯砂很適合做打印原料，可以做出傳統(tǒng)工藝完全無法實現(xiàn)的復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)。聽說航天科工某院已經(jīng)能用3D打印做出小型渦噴發(fā)動機(jī)的全陶瓷轉(zhuǎn)子，重量只有金屬件的三分之一。

七、說說挑戰(zhàn)和未來

當(dāng)然，氧化鋯材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也不是一帆風(fēng)順。成本高是最大的門檻——高純度氧化鋯砂本身就不便宜，加上復(fù)雜的加工工藝，一個陶瓷零件比同類金屬件貴幾倍甚至十幾倍很正常。

性能一致性也是個難題。陶瓷材料對缺陷很敏感，一點點雜質(zhì)、一個微氣泡都可能導(dǎo)致性能大幅下降。航空航天領(lǐng)域?qū)煽啃砸笥謽O高，這需要從原料到工藝的全程精密控制。但話說回來，航空航天從來就不是只看成本的領(lǐng)域?？煽啃?、性能、減重效果，這些因素往往更重要。隨著技術(shù)成熟和批量應(yīng)用，成本肯定會降下來。就像碳纖維復(fù)合材料，三十年前還是“貴族材料”，現(xiàn)在不也用得很普遍了嗎?

聚會結(jié)束時，我那老同學(xué)又說了句話讓我印象深刻：“搞航空航天材料這么多年，我有個體會——真正的好材料，往往不是性能某一項特別突出，而是在極端條件下各項性能的平衡。氧化鋯砂就是這樣，它可能不是最強(qiáng)的，不是最硬的，不是最輕的，但它能在高溫、腐蝕、應(yīng)力復(fù)雜的環(huán)境下保持穩(wěn)定和可靠。這太難得了?！?/p>

是啊，航空航天這個行業(yè)，對材料的要求有時候真像是“既要馬兒跑，又要馬兒不吃草”。氧化鋯砂這類陶瓷材料，正在用自己的方式回應(yīng)這些苛刻的要求。從發(fā)動機(jī)葉片到熱防護(hù)瓦，從傳感器外殼到特殊零件，它靜靜地發(fā)揮著作用，支撐著人類的飛天夢想。下次坐飛機(jī)時，你或許可以想想，在那些轟鳴的發(fā)動機(jī)里，在那些穿梭于天地間的航天器中，有些看起來像“白沙子”的材料，正在承受著我們難以想象的極端環(huán)境，默默守護(hù)著每一次飛行的安全。這大概就是材料科學(xué)的魅力——最普通的元素，經(jīng)過人類的智慧，創(chuàng)造出支撐現(xiàn)代文明的奇跡。