中國(guó)粉體網(wǎng)訊  日本研究人員使用電弧風(fēng)洞來(lái)更好地了解碳纖維增強(qiáng)的超高溫陶瓷基復(fù)合材料（UHTCMC）在高溫惰性環(huán)境中的抗氧化性。

東京科學(xué)大學(xué)的研究人員通過(guò)電弧風(fēng)洞測(cè)試評(píng)估了C/UHTCMC在2000℃以上溫度下的效用。這些結(jié)果表明復(fù)合材料在高溫下發(fā)生了降解,，這對(duì)制造先進(jìn)的航天飛機(jī)軌道器具有重要意義，圖片來(lái)源:日本東京科學(xué)大學(xué)的Ryo Inoue

碳纖維增強(qiáng)超高溫陶瓷（UHTC）基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航天飛機(jī)和高速飛行器,。然而,，這些復(fù)合材料缺乏抗氧化性。最近,，來(lái)自日本的研究人員在非常高的溫度下測(cè)試了UHTC的耐熱性,，為防止UHTC 降解所需的修改提供了見(jiàn)解，這些發(fā)現(xiàn)可能對(duì)航天飛機(jī)軌道飛行器的制造產(chǎn)生重大影響,。

例如,，碳纖維增強(qiáng)碳(C/C)是由碳纖維在玻璃碳或石墨基體中增強(qiáng)而成的復(fù)合材料。它最為人所知的是用于高超音速飛行器和航天飛機(jī)軌道飛行器的材料,，這些飛行器的巡航速度超過(guò)5馬赫,。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，它也被用于一級(jí)方程式賽車(chē)的剎車(chē)系統(tǒng),。盡管C/C在高溫和惰性氣氛下具有優(yōu)異的機(jī)械性能,，但在這些條件下缺乏抗氧化性，限制了其廣泛應(yīng)用,。

研究人員發(fā)現(xiàn),，包括過(guò)渡金屬碳化物和二硼化物在內(nèi)的UHTC具有良好的抗氧化性。在以往的研究中,，鋯鈦（Zr-Ti）合金浸潤(rùn)在提高碳纖維增強(qiáng)UHTC 基復(fù)合材料（C/UHTCMCs）的耐熱性方面顯示出可觀的結(jié)果,。然而，它們?cè)诟邷兀?gt;2000℃）調(diào)價(jià)下的使用尚不清楚,。

在此背景下,，來(lái)自日本的一組研究人員評(píng)估了Zr-Ti合金滲透的C/UHTCMCs在溫度超過(guò)2000℃時(shí)的潛在效用。他們的研究由東京科學(xué)大學(xué)(日本)的初級(jí)副教授Ryo Inoue領(lǐng)導(dǎo),，于近日發(fā)表在《材料科學(xué)雜志》上,。該研究團(tuán)隊(duì)由來(lái)自TUS的Noriatsu Koide和助理教授Yutaro Arai、日本橫濱國(guó)立大學(xué)的Makoto Hasegawa教授和日本國(guó)立材料科學(xué)研究所(NIMS,，筑波,，日本)的Toshiyuki Nishimura博士組成。

“這項(xiàng)研究是陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料研究和開(kāi)發(fā)的延伸,，” Inoue 教授說(shuō),。“近年來(lái),，我們收到了幾家重工業(yè)制造商關(guān)于可在2000°C以上溫度下使用材料的詢問(wèn),。 我們也開(kāi)始與這些制造商合作開(kāi)發(fā)新材料,。

C/UHTCMC采用熔體浸潤(rùn)法制造，據(jù)報(bào)道這是制造這些材料的最經(jīng)濟(jì)有效的方法,。為了研究該材料的適用性,，用三種不同的合金成分制備了三種類(lèi)型的C/UHTCMC。使用的三種合金成分有不同的Zr : Ti原子比,。為了表征耐熱性,，研究小組使用了一種叫做電弧風(fēng)洞測(cè)試的方法。這種方法包括將材料暴露在隧道內(nèi)極高的焓流中,，類(lèi)似于航天器重新進(jìn)入大氣層時(shí)所經(jīng)歷的條件,。

研究小組發(fā)現(xiàn)，合金中Zr的含量對(duì)復(fù)合材料在所有溫度下的降解都有很強(qiáng)的影響,。這是由于與富鈦碳化物相比，富鋯碳化物氧化的熱力學(xué)偏好,。此外,，復(fù)合材料表面形成的Zr和Ti氧化物阻止了進(jìn)一步的氧化，氧化物的組成取決于滲透合金的成分,。熱力學(xué)分析表明復(fù)合材料表面形成的氧化物由ZrO₂,、ZrTiO₄和TiO₂固溶體組成。

在2000°C以上的溫度下,，電弧風(fēng)洞試驗(yàn)后,，樣品的厚度和重量隨著復(fù)合材料Zr含量的增加而增加。研究小組還觀察到,，表面氧化物的熔點(diǎn)隨著Zr含量的增加而增加,。對(duì)于高于2600°C的溫度，形成的唯一氧化物是液相,，需要對(duì)基體組成進(jìn)行熱力學(xué)設(shè)計(jì),，以防止UHTC復(fù)合材料的衰退。

“我們已經(jīng)使用熱力學(xué)分析成功地研究了C / UHTCMC 在 2000℃ 以上的溫度下的降解,，” Inoue 教授補(bǔ)充道,，“我們還表明，基體設(shè)計(jì)需要修改以防止復(fù)合材料降解,。我們的研究有可能為實(shí)現(xiàn)超高速客機(jī),、再入飛行器和其他高超音速飛行器做出貢獻(xiàn)。

相關(guān)文獻(xiàn)信息：

Koide, N., Marumo, T., Arai, Y. et al. Degradation of carbon fiber-reinforced ultra-high-temperature ceramic matrix composites at extremely high temperature using arc-wind tunnel tests. J Mater Sci 57, 19785–19798 (2022). 

https://doi.org/10.1007/s10853-022-07861-x

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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