碳纤维超高温陶瓷基复合材料的应用前景分析

莫镕豪

（华北水利水电大学 河南 郑州 450045）

1 引言

随着科学技术的快速发展，高超声速导弹、可循环使用的运载装置等已成为军用航空航天和武器系统的重要发展方向，是各军事大国正大力攻关抢占的战略技术制高点之一[1]。在推进武器打击快速性和精准性的过程中，飞行器的飞行速度也在逐步提升，这也导致了在飞行过程中飞行器的表面温度会因高速摩擦变得非常高，超高的温度会对弹头造成大面积的烧蚀，极大地影响导弹的升阻比，从而对导弹的攻击精准度造成直接影响。传统的耐高温烧蚀材料通常只能在1 600 ℃下正常工作，在可能达到的2 000 ℃的超高温下，材料会出现大量的烧蚀，从而导致飞行器结构出现明显的变形，直接影响飞行器的飞行姿态和飞行器发射装置的作战对抗能力。为了解决传统耐高温材料耐高温性能不足的问题，目前许多学者正致力于研究和开发新型的可在2 000 ℃以上的有氧环境下正常工作的材料，以满足上述要求。超高温陶瓷作为一种新型的无机材料，拥有良好的超高温性能，是当下研究的热门方向之一。

超高温陶瓷是以Ta、Zr、Hf等难熔金属的碳化物、硼化物为代表的耐超高温材料，这些材料可以在2 000 ℃以上的有氧环境中保持良好的理化性能和力学性能，具备罕见的高熔点、高热传导率以及高杨氏模量等特征，并且可以在2 000 ℃的超高温条件下保持很好的结构强度。但其作为陶瓷材料，仍然会有陶瓷材料普遍存在的断裂韧性低、抗热震性能差等缺点，这与陶瓷材料本身的组分和制备工艺息息相关，也导致了该材料在需要应对冲击和振动的场景下应用时会受到明显的制约。为了补足超高温陶瓷较差的韧性和抗震性，许多研究人员和学者尝试以超高温陶瓷为基体，使用连续纤维增强超高温陶瓷基体结构，以得到相关性能改善的超高温陶瓷基复合材料，其中，又以碳纤维增强体的研究和应用最多。到目前为止，该材料已经成为航天航空热防护领域应用最为广泛的耐超高温烧蚀材料。

碳纤维增强超高温陶瓷复合材料兼具超高温陶瓷基体和碳纤维增强体的优点，其超高温陶瓷基体具备高熔点、高热传导率、高杨氏模量，在超高温条件下能维持固态不会发生相变且能维持较高的强度等诸多特点，纤维增强体则大大改善了基体抗热震性较差、断裂韧度低的缺陷。除此之外，碳纤维增强体也具备优秀的高温力学性能，能在高于2 000 ℃的高温下仍保持优异的力学性能，这在纤维材料中是极为罕见的。碳纤维质地柔软，可以通过缠绕编织变换形状，该特性可以帮助超高温陶瓷在制备过程中快速成型。这些特征和优点的存在也让碳纤维增强超高温陶瓷复合材料受到了超高温材料界的广泛关注[2]。

2 碳纤维超高温陶瓷基复合材料的制备

目前，碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料可以通过多种方法来制备，不同的制备方法得到的材料通常具有差异性。其中，碳纤维的体积占比、强度、均匀性以及基体的致密度和均匀性、气孔的体积分数及状态等方面都会存在或多或少的区别，这也导致了采用不同方法制备出的复合材料会表现出不同的性能。目前，碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备有以下几种常用的方法，包括反应熔体浸渗法、先驱体转化法、化学气相沉积法以及浆料浸渗裂解法等。综合国内外对于耐超高温陶瓷基复合材料的研究情况来看，上述几种方法也是进行材料的研发和制备的主要方法[3]。

反应熔体浸渗法是一种快速制备技术，拥有较低的制备成本，也是目前研究和应用最多的超高温陶瓷基复合材料制备方法之一。该方法通常分为3个步骤，首先需要对纤维预制体的表面进行涂层改性；而后加入碳，使纤维预制体部分变得致密化；最后利用熔融的金属对预制体进行浸渗，使得处于熔融状态的金属可以通过预制件的孔洞渗入，熔融的金属会和陶瓷基体发生反应，从而得到致密程度较高的超高温陶瓷基复合材料。目前，国内外已有多种复合材料通过该方法制备。

先驱体转化法又名先驱体浸渍裂解法，该方法通常需要先制作纤维预制件作为所制备材料的骨架，然后浸渍超高温陶瓷先驱体。该先驱体可通过金属有机法进行制备，在惰性环境下完成预制件和先驱体的交联和固化，然后在高温条件下让已经交联的材料发生裂解，从而制备出超高温陶瓷基复合材料。在此基础上，该方法还可通过循环进行浸渍交联裂解使已成型的复合材料进一步致密化。

化学气相沉积法是指气相物质通过化学反应，在加热材料表面沉积一层固相物质。该方法还有一种改良的工艺，称为化学气相浸渗法，二者的主要区别在于：前者的渗透材料主要沉积在外表面，而后者的渗透材料会通过孔隙渗入材料内部。目前，采用该方法制备的材料和相关研究均较少。

浆料浸渗裂解法又称为泥浆法，该方法首先要将陶瓷粉制成泥浆状，然后将陶瓷浆填充至纤维的预制件当中，再通过高温对陶瓷浆和预制件的混合体进行烧结，最终得到纤维增强的超高温陶瓷基复合材料。

上述4种方法在目前的超高温陶瓷基复合材料制备上均有应用，对于除碳纤维增强之外的其他超高温陶瓷基复合材料，制备工艺也和上述方法相近。有时为了进一步提高材料的致密度和相关性能，也会选择将多种制备工艺结合起来，如使用浆料浸渍和反应熔渗法结合的方法。优秀的多工艺混合制备方法通常能弥补单一工艺制备时存在的不足，并且兼具各工艺的特点，从而可以制备出性能更好的超高温陶瓷基复合材料。

3 碳纤维超高温陶瓷基复合材料的应用现状

国内外对碳纤维超高温陶瓷基复合材料的研究多集中在超声速的飞行环境下，相关研究大多是在碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的基础上开展，该材料在很早的时候就已经在航空航天热防护领域得到了广泛应用。对于碳纤维陶瓷基复合材料的应用，可以追溯到20世纪80年代，当时，碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料因在航空航天热防护领域获得成功应用而备受瞩目，并逐渐地被推广应用于燃烧室、推进器部件、火箭发动机喷灌以及空间飞行器的热防护系统等诸多场景。然而，碳化硅陶瓷基在高于1650℃时会发生主动氧化，严重限制了碳化硅陶瓷在更高温度热防护领域的应用。为了改进高温条件下容易被氧化的问题，许多研究人员和学者将科研方向转向了碳纤维超高温陶瓷基复合材料。

目前，纤维增强陶瓷基复合材料已经被广泛应用于航空航天领域。《2021—2025年中国碳纤维增强陶瓷基复合材料市场可行性研究报告》指出，2020年在纤维增强陶瓷基复合材料所有的需求中，航天航空领域占比在85%以上。其中，纤维增强陶瓷基复合材料在航空航天领域应用中最常见的场景如下：

（1）应用在航空飞行器发动机或固体火箭发动机上，如发动机燃烧室的火焰筒、涡轮导向叶片、喷管调节片等在工作时可能会承受超高温度的部件。

（2）应用在超高声速飞行器上，如飞行器的鼻锥、机翼前缘等在飞行可能会承受超高温度的部件。

除了在军用航空航天领域之外，近年来，该材料在民用领域也出现了不少的应用，如应用于飞机刹车、高铁刹车和轿车刹车中，承受紧急刹车时产生的超高温度。

4 碳纤维超高温陶瓷基复合材料的制备发展与应用前景分析

对于制备而言，目前相关工艺还不够精细化，对其中的超高温陶瓷基体的致密化、结构的精密控制等方面的机理研究还不够透彻，诸多问题仍有待深入探索，未来与制备相关的研究和应用将主要集中在以下几个方向：

（1）开发全新的制备工艺和方法，实现材料的低能耗、低污染制备。

（2）对已经成熟的工艺和技术进行改进和结合。目前已有的工艺成熟度较高，且操作流程简单，易于进行针对性的改造，可通过不断的试错对工艺本身进行优化。

（3）深入开展制备工艺-材料结构-力学性能之间的关联性研究，深入探讨三者之间的影响机理，为超高温陶瓷基复合材料性能提升提供理论基础，从而提高新材料的研发效率。

而在碳纤维超高温陶瓷基复合材料应用前景方面，超高温陶瓷复合材料具有优异的高温力学性能，能够有效解决陶瓷本身抗氧化性能差的缺陷，但材料较低的损伤容限和抗热冲击性能严重影响了其实际应用，需进行韧性增强来消除这一限制[4]。在超高温陶瓷复合材料的强韧化方法中，使用碳纤维增强体来增加陶瓷基的韧性，将是未来超高温陶瓷复合材料增韧的重要研究方向，尤其是在火箭推进、飞行器高超音速飞行、再入大气层、高速刹车等极端应用场景下，碳纤维增强超高温陶瓷复合材料将会是极具前景的候选材料之一。

5 结语

随着航空航天技术的飞速发展，在高端太空飞行器上的研究已经越来越多，尤其是在超声速飞行器和火箭推进系统等方面，对超高温防热材料的要求也越来越严格。未来，满足2 000 ℃以上工作温度的超高温材料将成为用于航天飞船、火箭发动机等重要器件的关键，而作为其中的热门研究方向之一，碳纤维增强超高温陶瓷复合材料兼具超高温陶瓷基体和碳纤维增强体的优点，在国家大力发展国防事业的背景下，该材料的需求量将会持续增加，市场前景良好。而在材料的制备方面，当前碳纤维超高温陶瓷复合材料基制备工艺还不够精细化，有着较大的改进空间，如何进一步优化材料制备工艺，降低材料制备的能耗和污染、减少材料制备成本与周期等，还需要进行深入的研究和探索。