测试碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料的耐热性

碳纤维增强碳(C/C)是一种由碳纤维在玻璃碳或石墨基体中增强而成的复合材料。它最著名的材料是用于高超音速飞行器和航天飞机轨道飞行器，它们的巡航速度超过5马赫。自1970年代以来，它还被用于一级方程式赛车的制动系统。尽管C/C在高温和惰性气氛下具有优异的机械性能，但它在这些条件下缺乏抗氧化性，使其广泛使用受到限制。

研究人员发现，包含过渡金属碳化物和二硼化物的超高温陶瓷(UHTC)具有良好的抗氧化性。在以前的研究中，锆钛(Zr-Ti)合金渗入在提高碳纤维增强UHTC基复合材料(C/UHTCMC)的耐热性方面显示出可喜的结果。然而，它们在高温(>2000oC)下的使用尚不清楚。

在此背景下，一组来自日本的研究人员评估了在2000摄氏度以上温度下渗入Zr-Ti合金的C/UHTCMC的潜在效用。他们的研究由东京科学大学(TUS)的初级副教授RyoInoue领导)，发表在《材料科学杂志》上，并于2022年10月27日在线提供。

该研究团队由TUS的NoriatsuKoide先生和助理教授YutaroArai，横滨国立大学的MakotoHasegawa教授，以及国立材料科学研究所的ToshiyukiNishimura博士组成。

谈到他们研究背后的动机，“该研究是陶瓷和陶瓷基复合材料研发的延伸。近年来，我们收到了多家重工业制造商关于可在高温下使用的材料的询问。高于2000°C。我们也开始与这些制造商合作开发新材料，”Inoue教授说。

C/UHTCMC是使用熔体渗透制造的，这是制造这些材料最具成本效益的方法。为了研究这种材料的适用性，使用三种不同的合金成分制造了三种类型的C/UHTCMC。使用的三种合金成分具有不同的Zr:Ti原子比。

为了表征耐热性，该团队使用了一种称为电弧风洞测试的方法。这种方法涉及将材料暴露在隧道内极高焓的气流中，类似于航天器在重新进入大气层时所经历的条件。

该团队发现，合金中Zr的含量对复合材料在所有温度下的降解都有很大影响。这是由于与富含Ti的碳化物相比，富含Zr的碳化物更倾向于氧化。

此外，在复合材料表面形成的Zr和Ti氧化物可防止进一步氧化，并且氧化物成分取决于渗透合金的成分。热力学分析表明复合表面形成的氧化物由ZrO2、ZrTiO4和TiO2固溶体组成。

在高于2000oC的温度下，电弧风洞试验后样品的厚度和重量随着复合材料中Zr含量的增加而增加。该团队还观察到，随着Zr含量的增加，表面氧化物的熔点也会升高。对于高于2600oC的温度，形成的唯一氧化物是液相，需要对基体成分进行热力学设计以防止UHTC复合材料的衰退。

“我们使用热力学分析成功地研究了C/UHTCMC在2000摄氏度以上温度下的降解。我们还表明，矩阵设计需要修改以防止复合材料的降解。我们的研究有可能有助于实现超高速客机、重返大气层飞行器和其他高超音速飞行器，”Inoue教授总结道。

这些结果可能对先进航天飞机轨道飞行器和高速飞行器的生产产生重要影响。