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摘要：由于空气动力加热，高超音速飞机的表面温度会达到2000℃或更高，因此开发一种能够承受这一温度的材料是一项挑战。本研究开发了一种基于Zr-Ti合金的碳纤维增强超高温陶瓷(C/UHTCMC)，并通过电弧风洞试验等各种分析和评估，证明了其具有优异的耐热性。通过进一步开展本研究，有望将其用于需要耐受恶劣环境的航空航天领域，例如航天飞机和火箭的材料。

关键字：碳纤维增强超高温陶瓷复合材料、熔融浸渍法、新型复合材料C/UHTCMC、耐热材料、富Zr碳化物

概要

研究小组开发了一种基于锆（Zr）和钛（Ti）合金的碳纤维增强超高温陶瓷复合材料（C/UHTCMC），并进行了特性分析。结果表明，该材料可以承受2000℃以上的超高温。

由于空气动力加热，以5马赫（约6200km/h）或更高的高超音速飞行的飞机机体会达到几千度的温度。超高温陶瓷和碳化硅的复合材料作为能够承受这种恶劣环境的材料而备受关注。然而，在极高温状态下，含硅化合物由于状态变化和化学变化而劣化，因此人们一直在寻找新的替代材料。因此，本研究小组采用熔融浸渍法合成了不含会导致劣化的硅的新型复合材料C/UHTCMC，并试图详细阐明其性能。

本研究制备了三种不同Zr和Ti含量的C/UHTCMCs，并进行了表面结构分析和电弧风洞试验。结果发现，富Zr材料表现出最好的防热性能。结果还发现，在材料表面形成的Ti和Zr的氧化物分别是TiO₂固溶体、ZrTiO₄固溶体和ZrO₂固溶体，这些物质可以抑制复合材料的进一步氧化。通过进一步发展本研究成果，有望将其开发成一种即使在极高温度下也可以使用的耐热材料，用于飞机和火箭等。

图1 电弧风洞试验

研究背景

碳纤维增强碳复合材料（C/C复合材料）作为一种轻质耐热材料已被用于航天飞机和高超音速飞机。然而，在高温环境下，它的抗氧化性较低，限制了其应用。此外，众所周知，超高温陶瓷（UHTC）和碳化硅的复合材料(ZrB₂-SiC、ZrC-SiC、ZrB₂-ZrC-SiC等）即使在1700℃或更高的高温下也表现出优异的抗氧化性和耐热性。然而，基于含硅化合物的复合材料的问题在于，它们在超高温环境下由于共晶的形成和含硅化合物本身的氧化而显着劣化。

因此，作为即使在超高温环境下也不会劣化的新材料，研究小组着眼于以Zr和Ti为主要成分的C/UHTCMC，并一直在进行相关研究，评估其实用性。本次，对用不同合金成分制成的三种C/UHTCMCs进行了电弧风洞试验、表面分析和热力学分析，并对其特性进行了评估。

研究成果

首先，研究小组采用熔融浸渍法合成了以Zr、Ti和C为主要成分的三种C/UHTCMCs（Z20、Z36、Z80），Zr和Ti的组成比(at%)分别为Zr：Ti=20：80、36：64和80：20。然后，在三种不同的条件下（A：喷嘴间距150mm、热通量2MW/m²：喷嘴间距100mm、热通量4.54MW/m²、C：喷嘴间距80mm、热通量6.68MW/m²）进行电弧风洞试验，并对每种材料进行了磨损评估。

结果发现，随着复合材料中的Zr含量的升高，电弧风洞试验后材料的厚度增加，同时表面形成的氧化物的熔点升高。研究还发现，复合材料表面产生的液相流向外表面，进一步促进了复合材料的氧化。并且，经研究证实，富Zr碳化物的氧化在热力学上优于富Ti碳化物，因此在任何温度条件下都能抑制复合材料的劣化。

其次，研究小组通过表面分析和热力学分析评估了材料表面形成的氧化物。在材料表面形成的Ti和Zr的氧化物主要是TiO₂固溶体、ZrTiO₄固溶体和ZrO₂固溶体，阐明了这些可以抑制复合材料的进一步氧化。经研究证实，特别是Z80在2000℃以上仍保持ZrO₂固溶体和液相，在2600℃以上的温度下表面仅形成液相，表面氧化物消失。

基于以上结果，得出的结论是Z80是最适合的耐热材料，因为它在超高温环境下的收缩率低，抗氧化性高。

关于以上成果，研究人员表示：“我们一直在研究陶瓷及其复合材料。近年来，在接到多家重工业制造商关于可承受2000℃及以上超高温材料的询问后，我们开始着手这项研究。如果这些材料能够得到应用，就有可能实现超高速客机，我们的生活也将会更加丰富。”

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