碳纖維超高溫陶瓷基復合材料的應用前景分析

莫镕豪

（華北水利水電大學 河南 鄭州 450045）

1 引言

隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，高超聲速導彈、可循環(huán)使用的運載裝置等已成為軍用航空航天和武器系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，是各軍事大國正大力攻關(guān)搶占的戰(zhàn)略技術(shù)制高點之一[1]。在推進武器打擊快速性和精準性的過程中，飛行器的飛行速度也在逐步提升，這也導致了在飛行過程中飛行器的表面溫度會因高速摩擦變得非常高，超高的溫度會對彈頭造成大面積的燒蝕，極大地影響導彈的升阻比，從而對導彈的攻擊精準度造成直接影響。傳統(tǒng)的耐高溫燒蝕材料通常只能在1 600 ℃下正常工作，在可能達到的2 000 ℃的超高溫下，材料會出現(xiàn)大量的燒蝕，從而導致飛行器結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的變形，直接影響飛行器的飛行姿態(tài)和飛行器發(fā)射裝置的作戰(zhàn)對抗能力。為了解決傳統(tǒng)耐高溫材料耐高溫性能不足的問題，目前許多學者正致力于研究和開發(fā)新型的可在2 000 ℃以上的有氧環(huán)境下正常工作的材料，以滿足上述要求。超高溫陶瓷作為一種新型的無機材料，擁有良好的超高溫性能，是當下研究的熱門方向之一。

超高溫陶瓷是以Ta、Zr、Hf等難熔金屬的碳化物、硼化物為代表的耐超高溫材料，這些材料可以在2 000 ℃以上的有氧環(huán)境中保持良好的理化性能和力學性能，具備罕見的高熔點、高熱傳導率以及高楊氏模量等特征，并且可以在2 000 ℃的超高溫條件下保持很好的結(jié)構(gòu)強度。但其作為陶瓷材料，仍然會有陶瓷材料普遍存在的斷裂韌性低、抗熱震性能差等缺點，這與陶瓷材料本身的組分和制備工藝息息相關(guān)，也導致了該材料在需要應對沖擊和振動的場景下應用時會受到明顯的制約。為了補足超高溫陶瓷較差的韌性和抗震性，許多研究人員和學者嘗試以超高溫陶瓷為基體，使用連續(xù)纖維增強超高溫陶瓷基體結(jié)構(gòu)，以得到相關(guān)性能改善的超高溫陶瓷基復合材料，其中，又以碳纖維增強體的研究和應用最多。到目前為止，該材料已經(jīng)成為航天航空熱防護領(lǐng)域應用最為廣泛的耐超高溫燒蝕材料。

碳纖維增強超高溫陶瓷復合材料兼具超高溫陶瓷基體和碳纖維增強體的優(yōu)點，其超高溫陶瓷基體具備高熔點、高熱傳導率、高楊氏模量，在超高溫條件下能維持固態(tài)不會發(fā)生相變且能維持較高的強度等諸多特點，纖維增強體則大大改善了基體抗熱震性較差、斷裂韌度低的缺陷。除此之外，碳纖維增強體也具備優(yōu)秀的高溫力學性能，能在高于2 000 ℃的高溫下仍保持優(yōu)異的力學性能，這在纖維材料中是極為罕見的。碳纖維質(zhì)地柔軟，可以通過纏繞編織變換形狀，該特性可以幫助超高溫陶瓷在制備過程中快速成型。這些特征和優(yōu)點的存在也讓碳纖維增強超高溫陶瓷復合材料受到了超高溫材料界的廣泛關(guān)注[2]。

2 碳纖維超高溫陶瓷基復合材料的制備

目前，碳纖維增強超高溫陶瓷基復合材料可以通過多種方法來制備，不同的制備方法得到的材料通常具有差異性。其中，碳纖維的體積占比、強度、均勻性以及基體的致密度和均勻性、氣孔的體積分數(shù)及狀態(tài)等方面都會存在或多或少的區(qū)別，這也導致了采用不同方法制備出的復合材料會表現(xiàn)出不同的性能。目前，碳纖維增強超高溫陶瓷基復合材料的制備有以下幾種常用的方法，包括反應熔體浸滲法、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法、化學氣相沉積法以及漿料浸滲裂解法等。綜合國內(nèi)外對于耐超高溫陶瓷基復合材料的研究情況來看，上述幾種方法也是進行材料的研發(fā)和制備的主要方法[3]。

反應熔體浸滲法是一種快速制備技術(shù)，擁有較低的制備成本，也是目前研究和應用最多的超高溫陶瓷基復合材料制備方法之一。該方法通常分為3個步驟，首先需要對纖維預制體的表面進行涂層改性；而后加入碳，使纖維預制體部分變得致密化；最后利用熔融的金屬對預制體進行浸滲，使得處于熔融狀態(tài)的金屬可以通過預制件的孔洞滲入，熔融的金屬會和陶瓷基體發(fā)生反應，從而得到致密程度較高的超高溫陶瓷基復合材料。目前，國內(nèi)外已有多種復合材料通過該方法制備。

先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法又名先驅(qū)體浸漬裂解法，該方法通常需要先制作纖維預制件作為所制備材料的骨架，然后浸漬超高溫陶瓷先驅(qū)體。該先驅(qū)體可通過金屬有機法進行制備，在惰性環(huán)境下完成預制件和先驅(qū)體的交聯(lián)和固化，然后在高溫條件下讓已經(jīng)交聯(lián)的材料發(fā)生裂解，從而制備出超高溫陶瓷基復合材料。在此基礎(chǔ)上，該方法還可通過循環(huán)進行浸漬交聯(lián)裂解使已成型的復合材料進一步致密化。

化學氣相沉積法是指氣相物質(zhì)通過化學反應，在加熱材料表面沉積一層固相物質(zhì)。該方法還有一種改良的工藝，稱為化學氣相浸滲法，二者的主要區(qū)別在于：前者的滲透材料主要沉積在外表面，而后者的滲透材料會通過孔隙滲入材料內(nèi)部。目前，采用該方法制備的材料和相關(guān)研究均較少。

漿料浸滲裂解法又稱為泥漿法，該方法首先要將陶瓷粉制成泥漿狀，然后將陶瓷漿填充至纖維的預制件當中，再通過高溫對陶瓷漿和預制件的混合體進行燒結(jié)，最終得到纖維增強的超高溫陶瓷基復合材料。

上述4種方法在目前的超高溫陶瓷基復合材料制備上均有應用，對于除碳纖維增強之外的其他超高溫陶瓷基復合材料，制備工藝也和上述方法相近。有時為了進一步提高材料的致密度和相關(guān)性能，也會選擇將多種制備工藝結(jié)合起來，如使用漿料浸漬和反應熔滲法結(jié)合的方法。優(yōu)秀的多工藝混合制備方法通常能彌補單一工藝制備時存在的不足，并且兼具各工藝的特點，從而可以制備出性能更好的超高溫陶瓷基復合材料。

3 碳纖維超高溫陶瓷基復合材料的應用現(xiàn)狀

國內(nèi)外對碳纖維超高溫陶瓷基復合材料的研究多集中在超聲速的飛行環(huán)境下，相關(guān)研究大多是在碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料的基礎(chǔ)上開展，該材料在很早的時候就已經(jīng)在航空航天熱防護領(lǐng)域得到了廣泛應用。對于碳纖維陶瓷基復合材料的應用，可以追溯到20世紀80年代，當時，碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料因在航空航天熱防護領(lǐng)域獲得成功應用而備受矚目，并逐漸地被推廣應用于燃燒室、推進器部件、火箭發(fā)動機噴灌以及空間飛行器的熱防護系統(tǒng)等諸多場景。然而，碳化硅陶瓷基在高于1650℃時會發(fā)生主動氧化，嚴重限制了碳化硅陶瓷在更高溫度熱防護領(lǐng)域的應用。為了改進高溫條件下容易被氧化的問題，許多研究人員和學者將科研方向轉(zhuǎn)向了碳纖維超高溫陶瓷基復合材料。

目前，纖維增強陶瓷基復合材料已經(jīng)被廣泛應用于航空航天領(lǐng)域。《2021—2025年中國碳纖維增強陶瓷基復合材料市場可行性研究報告》指出，2020年在纖維增強陶瓷基復合材料所有的需求中，航天航空領(lǐng)域占比在85%以上。其中，纖維增強陶瓷基復合材料在航空航天領(lǐng)域應用中最常見的場景如下：

（1）應用在航空飛行器發(fā)動機或固體火箭發(fā)動機上，如發(fā)動機燃燒室的火焰筒、渦輪導向葉片、噴管調(diào)節(jié)片等在工作時可能會承受超高溫度的部件。

（2）應用在超高聲速飛行器上，如飛行器的鼻錐、機翼前緣等在飛行可能會承受超高溫度的部件。

除了在軍用航空航天領(lǐng)域之外，近年來，該材料在民用領(lǐng)域也出現(xiàn)了不少的應用，如應用于飛機剎車、高鐵剎車和轎車剎車中，承受緊急剎車時產(chǎn)生的超高溫度。

4 碳纖維超高溫陶瓷基復合材料的制備發(fā)展與應用前景分析

對于制備而言，目前相關(guān)工藝還不夠精細化，對其中的超高溫陶瓷基體的致密化、結(jié)構(gòu)的精密控制等方面的機理研究還不夠透徹，諸多問題仍有待深入探索，未來與制備相關(guān)的研究和應用將主要集中在以下幾個方向：

（1）開發(fā)全新的制備工藝和方法，實現(xiàn)材料的低能耗、低污染制備。

（2）對已經(jīng)成熟的工藝和技術(shù)進行改進和結(jié)合。目前已有的工藝成熟度較高，且操作流程簡單，易于進行針對性的改造，可通過不斷的試錯對工藝本身進行優(yōu)化。

（3）深入開展制備工藝-材料結(jié)構(gòu)-力學性能之間的關(guān)聯(lián)性研究，深入探討三者之間的影響機理，為超高溫陶瓷基復合材料性能提升提供理論基礎(chǔ)，從而提高新材料的研發(fā)效率。

而在碳纖維超高溫陶瓷基復合材料應用前景方面，超高溫陶瓷復合材料具有優(yōu)異的高溫力學性能，能夠有效解決陶瓷本身抗氧化性能差的缺陷，但材料較低的損傷容限和抗熱沖擊性能嚴重影響了其實際應用，需進行韌性增強來消除這一限制[4]。在超高溫陶瓷復合材料的強韌化方法中，使用碳纖維增強體來增加陶瓷基的韌性，將是未來超高溫陶瓷復合材料增韌的重要研究方向，尤其是在火箭推進、飛行器高超音速飛行、再入大氣層、高速剎車等極端應用場景下，碳纖維增強超高溫陶瓷復合材料將會是極具前景的候選材料之一。

5 結(jié)語

隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，在高端太空飛行器上的研究已經(jīng)越來越多，尤其是在超聲速飛行器和火箭推進系統(tǒng)等方面，對超高溫防熱材料的要求也越來越嚴格。未來，滿足2 000 ℃以上工作溫度的超高溫材料將成為用于航天飛船、火箭發(fā)動機等重要器件的關(guān)鍵，而作為其中的熱門研究方向之一，碳纖維增強超高溫陶瓷復合材料兼具超高溫陶瓷基體和碳纖維增強體的優(yōu)點，在國家大力發(fā)展國防事業(yè)的背景下，該材料的需求量將會持續(xù)增加，市場前景良好。而在材料的制備方面，當前碳纖維超高溫陶瓷復合材料基制備工藝還不夠精細化，有著較大的改進空間，如何進一步優(yōu)化材料制備工藝，降低材料制備的能耗和污染、減少材料制備成本與周期等，還需要進行深入的研究和探索。