中国粉体网讯 日本研究人员使用电弧风洞来更好地了解碳纤维增强的超高温陶瓷基复合材料（UHTCMC）在高温惰性环境中的抗氧化性。
东京科学大学的研究人员通过电弧风洞测试评估了C/UHTCMC在2000℃以上温度下的效用。这些结果表明复合材料在高温下发生了降解，这对制造先进的航天飞机轨道器具有重要意义，图片来源:日本东京科学大学的Ryo Inoue
碳纤维增强超高温陶瓷（UHTC）基复合材料广泛应用于航天飞机和高速飞行器。然而，这些复合材料缺乏抗氧化性。最近，来自日本的研究人员在非常高的温度下测试了UHTC的耐热性，为防止UHTC 降解所需的修改提供了见解，这些发现可能对航天飞机轨道飞行器的制造产生重大影响。
例如，碳纤维增强碳(C/C)是由碳纤维在玻璃碳或石墨基体中增强而成的复合材料。它最为人所知的是用于高超音速飞行器和航天飞机轨道飞行器的材料，这些飞行器的巡航速度超过5马赫。自20世纪70年代以来，它也被用于一级方程式赛车的刹车系统。尽管C/C在高温和惰性气氛下具有优异的机械性能，但在这些条件下缺乏抗氧化性，限制了其广泛应用。
研究人员发现，包括过渡金属碳化物和二硼化物在内的UHTC具有良好的抗氧化性。在以往的研究中，锆钛（Zr-Ti）合金浸润在提高碳纤维增强UHTC 基复合材料（C/UHTCMCs）的耐热性方面显示出可观的结果。然而，它们在高温（>2000℃）调价下的使用尚不清楚。
在此背景下，来自日本的一组研究人员评估了Zr-Ti合金渗透的C/UHTCMCs在温度超过2000℃时的潜在效用。他们的研究由东京科学大学(日本)的初级副教授Ryo Inoue领导，于近日发表在《材料科学杂志》上。该研究团队由来自TUS的Noriatsu Koide和助理教授Yutaro Arai、日本横滨国立大学的Makoto Hasegawa教授和日本国立材料科学研究所(NIMS，筑波，日本)的Toshiyuki Nishimura博士组成。
“这项研究是陶瓷和陶瓷基复合材料研究和开发的延伸，” Inoue 教授说。“近年来，我们收到了几家重工业制造商关于可在2000°C以上温度下使用材料的询问。 我们也开始与这些制造商合作开发新材料。
C/UHTCMC采用熔体浸润法制造，据报道这是制造这些材料的最经济有效的方法。为了研究该材料的适用性，用三种不同的合金成分制备了三种类型的C/UHTCMC。使用的三种合金成分有不同的Zr : Ti原子比。为了表征耐热性，研究小组使用了一种叫做电弧风洞测试的方法。这种方法包括将材料暴露在隧道内极高的焓流中，类似于航天器重新进入大气层时所经历的条件。
研究小组发现，合金中Zr的含量对复合材料在所有温度下的降解都有很强的影响。这是由于与富钛碳化物相比，富锆碳化物氧化的热力学偏好。此外，复合材料表面形成的Zr和Ti氧化物阻止了进一步的氧化，氧化物的组成取决于渗透合金的成分。热力学分析表明复合材料表面形成的氧化物由ZrO2、ZrTiO4和TiO2固溶体组成。
在2000°C以上的温度下，电弧风洞试验后，样品的厚度和重量随着复合材料Zr含量的增加而增加。研究小组还观察到，表面氧化物的熔点随着Zr含量的增加而增加。对于高于2600°C的温度，形成的唯一氧化物是液相，需要对基体组成进行热力学设计，以防止UHTC复合材料的衰退。
“我们已经使用热力学分析成功地研究了C / UHTCMC 在 2000℃ 以上的温度下的降解，” Inoue 教授补充道，“我们还表明，基体设计需要修改以防止复合材料降解。我们的研究有可能为实现超高速客机、再入飞行器和其他高超音速飞行器做出贡献。
相关文献信息：
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
（中国粉体网编辑整理/山川）
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