【复材资讯】耐热性测试为防止碳纤维增强UHTC退化提供了启示

碳纤维增强超高温陶瓷（UHTC）基复合材料广泛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测试了这些复合材料在极高温度下的耐热性，为防止UHTC降解提供了所需的修改。他们的发现可能会对航天飞机轨道飞行器的制造产生巨大影响。

碳纤维增强的超高温陶瓷（UHTC）基体复合材料被广泛用于航天飞机和高速列车。然而，这些复合材料存在着缺乏抗氧化性的问题。最近，来自日本的研究人员测试了UHTC在非常高的温度下的耐热性，提供了对防止UHTC降解所需的修改的见解，这些发现可能对航天飞机轨道器的制造有很大的影响。

例如，碳纤维增强碳（C/C）是一种由碳纤维在玻璃碳或石墨的基体中增强的复合材料。它最著名的是用于高超音速飞行器和航天飞机轨道器的材料，其巡航速度超过5马赫。自20世纪70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在高温和惰性气氛中具有优良的机械性能，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，包括过渡金属碳化物和二硼化物在内的UHTCs显示出良好的抗氧化性。在以前的研究中，锆钛（Zr-Ti）合金渗入显示了改善碳纤维增强的UHTC基体复合材料（C/UHTCMCs）的耐热性的良好结果。然而，它们在高温（>2,000ºC）下的用途尚不清楚。

在此背景下，一组来自日本的研究人员评估了Zr-Ti合金浸润的C/UHTCMCs在2000ºC以上温度下的潜在效用。他们的研究由东京理科大学（TUS，日本）的初级副教授领导，发表在《材料科学》杂志上。

"这项研究是对陶瓷和陶瓷基复合材料研究和开发的延伸，"研究人员说。"近年来，我们收到了几家重工业制造商关于可在2000℃以上温度使用的材料的询问。我们也已经开始与这些制造商合作，开发新的材料"。

C/UHTCMC是用熔融渗透法制造的，据说这是制造这些材料的最经济的方法。为了研究这种材料的适用性，用三种不同的合金成分制造了三种类型的C/UHTCMCs。所用的三种合金成分具有不同的Zr:Ti的原子比。为了描述耐热性，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值气流中，类似于航天器重新进入大气层时经历的条件。

研究小组发现，在所有温度下，合金中Zr的数量对复合材料的降解有很大影响。这是由于富含Zr的碳化物与富含Ti的碳化物相比在热力学上更倾向于氧化。此外，在复合材料表面形成的Zr和Ti氧化物阻止了进一步的氧化，而氧化物的组成取决于浸润合金的组成。热力学分析表明，在复合材料表面形成的氧化物是由ZrO2、ZrTiO4和TiO2固溶体组成。

在高于2000ºC的温度下，经过电弧-风洞试验，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2600ºC的温度，唯一形成的氧化物是液态的，这就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。

"我们已经成功地利用热力学分析研究了C/UHTCMC在2000ºC以上温度下的降解，"研究人员补充说。"我们还表明，基体设计需要修改以防止复合材料的降解。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"。

文章来源：CompositesWorld
编译：赛奥碳纤维

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