中國粉體網訊 日本研究人員使用電弧風洞來更好地了解碳纖維增強的超高溫陶瓷基復合材料（UHTCMC）在高溫惰性環(huán)境中的抗氧化性。
東京科學大學的研究人員通過電弧風洞測試評估了C/UHTCMC在2000℃以上溫度下的效用。這些結果表明復合材料在高溫下發(fā)生了降解，這對制造先進的航天飛機軌道器具有重要意義，圖片來源:日本東京科學大學的Ryo Inoue
碳纖維增強超高溫陶瓷（UHTC）基復合材料廣泛應用于航天飛機和高速飛行器。然而，這些復合材料缺乏抗氧化性。最近，來自日本的研究人員在非常高的溫度下測試了UHTC的耐熱性，為防止UHTC 降解所需的修改提供了見解，這些發(fā)現可能對航天飛機軌道飛行器的制造產生重大影響。
例如，碳纖維增強碳(C/C)是由碳纖維在玻璃碳或石墨基體中增強而成的復合材料。它最為人所知的是用于高超音速飛行器和航天飛機軌道飛行器的材料，這些飛行器的巡航速度超過5馬赫。自20世紀70年代以來，它也被用于一級方程式賽車的剎車系統(tǒng)。盡管C/C在高溫和惰性氣氛下具有優(yōu)異的機械性能，但在這些條件下缺乏抗氧化性，限制了其廣泛應用。
研究人員發(fā)現，包括過渡金屬碳化物和二硼化物在內的UHTC具有良好的抗氧化性。在以往的研究中，鋯鈦（Zr-Ti）合金浸潤在提高碳纖維增強UHTC 基復合材料（C/UHTCMCs）的耐熱性方面顯示出可觀的結果。然而，它們在高溫（>2000℃）調價下的使用尚不清楚。
在此背景下，來自日本的一組研究人員評估了Zr-Ti合金滲透的C/UHTCMCs在溫度超過2000℃時的潛在效用。他們的研究由東京科學大學(日本)的初級副教授Ryo Inoue領導，于近日發(fā)表在《材料科學雜志》上。該研究團隊由來自TUS的Noriatsu Koide和助理教授Yutaro Arai、日本橫濱國立大學的Makoto Hasegawa教授和日本國立材料科學研究所(NIMS，筑波，日本)的Toshiyuki Nishimura博士組成。
“這項研究是陶瓷和陶瓷基復合材料研究和開發(fā)的延伸，” Inoue 教授說�！敖陙恚覀兪盏搅藥准抑毓I(yè)制造商關于可在2000°C以上溫度下使用材料的詢問。 我們也開始與這些制造商合作開發(fā)新材料。
C/UHTCMC采用熔體浸潤法制造，據報道這是制造這些材料的最經濟有效的方法。為了研究該材料的適用性，用三種不同的合金成分制備了三種類型的C/UHTCMC。使用的三種合金成分有不同的Zr : Ti原子比。為了表征耐熱性，研究小組使用了一種叫做電弧風洞測試的方法。這種方法包括將材料暴露在隧道內極高的焓流中，類似于航天器重新進入大氣層時所經歷的條件。
研究小組發(fā)現，合金中Zr的含量對復合材料在所有溫度下的降解都有很強的影響。這是由于與富鈦碳化物相比，富鋯碳化物氧化的熱力學偏好。此外，復合材料表面形成的Zr和Ti氧化物阻止了進一步的氧化，氧化物的組成取決于滲透合金的成分。熱力學分析表明復合材料表面形成的氧化物由ZrO2、ZrTiO4和TiO2固溶體組成。
在2000°C以上的溫度下，電弧風洞試驗后，樣品的厚度和重量隨著復合材料Zr含量的增加而增加。研究小組還觀察到，表面氧化物的熔點隨著Zr含量的增加而增加。對于高于2600°C的溫度，形成的唯一氧化物是液相，需要對基體組成進行熱力學設計，以防止UHTC復合材料的衰退。
“我們已經使用熱力學分析成功地研究了C / UHTCMC 在 2000℃ 以上的溫度下的降解，” Inoue 教授補充道，“我們還表明，基體設計需要修改以防止復合材料降解。我們的研究有可能為實現超高速客機、再入飛行器和其他高超音速飛行器做出貢獻。
相關文獻信息：
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
（中國粉體網編輯整理/山川）
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