美國開發(fā)超高溫C/C復(fù)合材料 抗燒蝕抗氧化性能提升20倍

據(jù)外媒報(bào)道，總部位于美國加州的MATECH公司與一家知名的國防承包商達(dá)成合作，雙方將共同運(yùn)用MATECH公司獨(dú)特的碳纖維增強(qiáng)ZrOC（C/ZrOC）陶瓷基復(fù)合材料研制適用于飛行測試的高超音速導(dǎo)彈殼體。值得一提的是，MATECH公司在2023年已成功量產(chǎn)了50公斤的陶瓷基復(fù)合材料（CMC），為此次合作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

MATECH公司所研發(fā)的超高溫且尺寸穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)絕緣材料，為應(yīng)對高超音速導(dǎo)彈殼體在高速飛行中所遭遇的高溫難題提供了有力支持。由于這些導(dǎo)彈殼體在高超音速飛行狀態(tài)下會產(chǎn)生極高溫度，因此飛行速度越快，溫度也就相應(yīng)攀升。得益于MATECH的C/ZrOC陶瓷基復(fù)合材料，這一難題得以有效解決。這種材料不僅低燒蝕，更適用于高超音速環(huán)境，而且成本低廉、可大規(guī)模生產(chǎn)，制造過程也相對簡便。該材料已在多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的極端條件下，經(jīng)受了2760°C以上高溫的嚴(yán)峻考驗(yàn)，且制造成本與金屬產(chǎn)品相比毫不遜色，甚至更為低廉。

除了在高超音速導(dǎo)彈殼體上的應(yīng)用，MATECH的C/ZrOC熱防護(hù)系統(tǒng)同樣適用于商用航天器的可重復(fù)使用隔熱罩。此外，該材料還能承受月球返回和火星返回時(shí)所遭遇的極端熱通量。

自1989年成立以來，MATECH公司一直專注于高溫和超高溫陶瓷纖維與陶瓷基復(fù)合材料的商業(yè)化研發(fā)。他們開發(fā)出一系列預(yù)陶瓷聚合物，為高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供了碳化硅（SiC）、氮化硅/碳化硅（SiNC）、碳氧化硅（SiOC）、氮化硅（Si3N4）以及碳化鉿（HfC）等多種高性能材料。

高超音速導(dǎo)彈鼻尖是材料界面臨的*嚴(yán)苛的超高溫（UHT）環(huán)境之一。在此環(huán)境下，保持導(dǎo)彈的形狀穩(wěn)定至關(guān)重要，因?yàn)檫@直接關(guān)系到導(dǎo)彈的運(yùn)行性能。

碳化硅等高密度熱壓陶瓷材料，以其優(yōu)異的氧化和燒蝕性能脫穎而出。然而，這類陶瓷材料也存在一些不足，如抗熱震性較差、韌性較低。相比之下，陶瓷基復(fù)合材料則兼具高韌性與高性能。

目前，陶瓷基復(fù)合材料的制備方法通常起始于40-50%密度的CMC，再通過場輔助燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行加工。但這種方法*終得到的密度往往達(dá)不到100%，且由于纖維破壞，材料性能受損。為此，MATECH公司意識到，從預(yù)制件階段就必須追求更高的致密度，將孔隙率降至7-10%。公司后來成功證明了這一策略的有效性，能夠在短短不到10分鐘的時(shí)間內(nèi)，獲得高達(dá)9%致密度的SiC/SiC材料，同時(shí)具備期望的強(qiáng)度和韌性。

碳-碳（C/C）復(fù)合材料，*初在1958年被開發(fā)為彈道再入鼻尖材料，其高密度版本展現(xiàn)出了*的性能。然而，這種材料在高溫和滯流壓力環(huán)境下，燒蝕率顯著升高。針對這一問題，MATECH公司創(chuàng)新地開發(fā)了一種具有極低燒蝕率的高超音速材料——C/ZrOC復(fù)合材料。這種材料不僅成本低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)，而且制造過程相對簡便。得益于美國導(dǎo)彈防御局的支持，MATECH公司進(jìn)一步將C/ZrOC熱防護(hù)系統(tǒng)和推進(jìn)變型系統(tǒng)推向了高超音速和導(dǎo)彈防御應(yīng)用的資格預(yù)審階段。這些創(chuàng)新材料和系統(tǒng)專為滿足國防和民用太空的關(guān)鍵需求而設(shè)計(jì)，兼具高性能與易制造性。

此次MATECH公司又取得了新的重大進(jìn)展，成功研發(fā)出超高密度碳纖維增強(qiáng)碳基（C/C）復(fù)合材料。這一創(chuàng)新技術(shù)使得C/C復(fù)合材料在抗燒蝕和抗氧化方面的能力較現(xiàn)有產(chǎn)品提升了高達(dá)20倍。這一突破性進(jìn)展預(yù)示著該材料有望被廣泛應(yīng)用于高超音速導(dǎo)彈以及彈道再入等鼻尖和前緣部件的制造中。

來源：玻纖技術(shù)信息