美国开发超高温C/C复合材料 抗烧蚀抗氧化性能提升20倍

据外媒报道，总部位于美国加州的MATECH公司与一家知名的国防承包商达成合作，双方将共同运用MATECH公司独特的碳纤维增强ZrOC（C/ZrOC）陶瓷基复合材料研制适用于飞行测试的高超音速导弹壳体。值得一提的是，MATECH公司在2023年已成功量产了50公斤的陶瓷基复合材料（CMC），为此次合作奠定了坚实基础。

MATECH公司所研发的超高温且尺寸稳定的结构绝缘材料，为应对高超音速导弹壳体在高速飞行中所遭遇的高温难题提供了有力支持。由于这些导弹壳体在高超音速飞行状态下会产生极高温度，因此飞行速度越快，温度也就相应攀升。得益于MATECH的C/ZrOC陶瓷基复合材料，这一难题得以有效解决。这种材料不仅低烧蚀，更适用于高超音速环境，而且成本低廉、可大规模生产，制造过程也相对简便。该材料已在多个实验室的极端条件下，经受了2760°C以上高温的严峻考验，且制造成本与金属产品相比毫不逊色，甚至更为低廉。

除了在高超音速导弹壳体上的应用，MATECH的C/ZrOC热防护系统同样适用于商用航天器的可重复使用隔热罩。此外，该材料还能承受月球返回和火星返回时所遭遇的极端热通量。

自1989年成立以来，MATECH公司一直专注于高温和超高温陶瓷纤维与陶瓷基复合材料的商业化研发。他们开发出一系列预陶瓷聚合物，为高温结构应用提供了碳化硅（SiC）、氮化硅/碳化硅（SiNC）、碳氧化硅（SiOC）、氮化硅（Si3N4）以及碳化铪（HfC）等多种高性能材料。

高超音速导弹鼻尖是材料界面临的最严苛的超高温（UHT）环境之一。在此环境下，保持导弹的形状稳定至关重要，因为这直接关系到导弹的运行性能。

碳化硅等高密度热压陶瓷材料，以其优异的氧化和烧蚀性能脱颖而出。然而，这类陶瓷材料也存在一些不足，如抗热震性较差、韧性较低。相比之下，陶瓷基复合材料则兼具高韧性与高性能。 

目前，陶瓷基复合材料的制备方法通常起始于40-50%密度的CMC，再通过场辅助烧结技术进行加工。但这种方法最终得到的密度往往达不到100%，且由于纤维破坏，材料性能受损。为此，MATECH公司意识到，从预制件阶段就必须追求更高的致密度，将孔隙率降至7-10%。公司后来成功证明了这一策略的有效性，能够在短短不到10分钟的时间内，获得高达9%致密度的SiC/SiC材料，同时具备期望的强度和韧性。

碳-碳（C/C）复合材料，最初在1958年被开发为弹道再入鼻尖材料，其高密度版本展现出了卓越的性能。然而，这种材料在高温和滞流压力环境下，烧蚀率显著升高。针对这一问题，MATECH公司创新地开发了一种具有极低烧蚀率的高超音速材料——C/ZrOC复合材料。这种材料不仅成本低廉，适合大规模生产，而且制造过程相对简便。得益于美国导弹防御局的支持，MATECH公司进一步将C/ZrOC热防护系统和推进变型系统推向了高超音速和导弹防御应用的资格预审阶段。这些创新材料和系统专为满足国防和民用太空的关键需求而设计，兼具高性能与易制造性。

此次MATECH公司又取得了新的重大进展，成功研发出超高密度碳纤维增强碳基（C/C）复合材料。这一创新技术使得C/C复合材料在抗烧蚀和抗氧化方面的能力较现有产品提升了高达20倍。这一突破性进展预示着该材料有望被广泛应用于高超音速导弹以及弹道再入等鼻尖和前缘部件的制造中。

来源：玻纤技术信息