六大航天先进复合材料研究进展.docxVIP

航天先进复合材料是一类应用于“弹、箭、星、船、器、站、所”极端服役环境的关键材料，是航天器研制和发展的物质基础和技术先导，也是衡量航天器先进性和可靠性的重要标志。特别是进入21世纪以来，随着高超声速、空天往返和深空探测领域各类新型航天器的蓬勃发展，先进复合材料对航天器的基础支撑作用愈发凸显，甚至决定装备的有无和先进与否。美欧等国高度重视航天先进复合材料技术，DARPA将热防护与材料列为高超声速飞行器五大关键技术之一，不断研发、考核、使用新材料，提高成熟度，以满足未来装备发展需求，保持全球领先地位。

随着航天器的速域和空域不断拓展，先进复合材料研究的深度和广度也日益增强。一方面，复合材料需要在极端复杂环境中高可靠服役，具有复杂的组分和结构，对材料的轻量化、耐温性、多功能一体化等性能要求极高，需要不断发展新的高性能材料。另一方面，需要深入研究复合材料材料在极端环境中组分、结构及性能的演变规律、多物理化学场与材料耦合作用等，提高对材料服役性能的认识。因此，面向未来航天器需求和复合材料自身技术发展，亟需在理论、方法和技术等方面实现创新。

陶瓷基热结构材料

陶瓷基热结构材料是由陶瓷基体和纤维增强相组成的复合材料，具备高比强度、比模量及优异的高温力学、抗氧化和耐烧蚀等性能，是航天器理想的热结构材料。美欧等国早就认识到陶瓷基复合材料的重要应用价值。通过一系列研究计划的持续支持，在高品质原材料、复合材料设计、制备工艺及工程应用方面取得了诸多突破。例如，2015年2月，欧洲IXV试验飞行器飞行成功，其热防护系统头锥、迎风面大面积、翼前缘和体襟翼均采用C/SiC复合材料，可以满足超过1600℃的服役要求，薄壁异形构件尺寸达到了米量级，体现出很高的制备工艺水平，技术成熟度较高。

近年来，我国在陶瓷基热结构材料领域取得了长足进步，突破了大尺寸异形薄壁C/SiC热结构材料的设计于制备关键技术，并实现了工程化应用。同时，针对陶瓷基热结构轻量化、耐高温和低成本等不同需求，发展了C/SiBCN、C/SiHfBCN及C/SiCN等新型陶瓷基热结构材料。采用前驱体浸渍裂解工艺制备的C/SiBCN材料，比C/SiC具有更优异的高温抗氧化性能。研究发现，SiBCN陶瓷在1400℃下空气中的氧化动力学常数Kp明显低于SiC陶瓷，如图1所示。此外，C/SiBCN复合材料室温下弯曲强度489MPa，在1600℃弯曲强度仍达到450MPa以上。为进一步提升材料耐温性能，将SiHfBCN纳米复相超高温陶瓷引入到C/SiC基体中，研制出C/SiC-SiHfBCN复合材料，室温拉伸强度大于300MPa，弯曲强度大于450MPa；2000℃拉伸强度达到120MPa，弯曲强度达到200MPa。针对低成本陶瓷基热结构需求，研制了新型SiCN前驱体，兼具高陶瓷产率和低成本优点。采用该前驱体研制的C/SiCN复合材料成本更低。图2为C/SiCN复合材料的的力学性能。室温拉伸强度和弯曲强度分别达到了230MPa和380MPa，且到1400℃时力学性能无明显衰减。

图1?SiBCN和SiC氧化膜厚度随时间变化

图2?C/SiCN复合材料的力学性能

陶瓷基热结构是新型飞行器的共性关键技术。研究新型耐高温纤维及先驱体、研制高性能热结构材料，发展先进制备工艺，降低陶瓷基热结构制备周期及成本，将是陶瓷基热结构重要的发展方向。

超高温低烧蚀防热材料

超高温低烧蚀防热材料主要用于航天飞行器的端头、前缘等热环境严苛部位。基于碳纤维增强的改性碳基或超高温陶瓷基复合材料是超高温低烧蚀防热材料的重要体系。C/C复合材料在惰性条件下具有优异的化学稳定性与力学性能，但在400℃以上发生氧化，制约了在高温有氧环境下的使用。通过在碳基体中添加抗氧化改性组元，可以显著提高C/C复合材料的抗氧化性能与抗烧蚀性能。

浆料浸渍法可能是在碳纤维预制体引入陶瓷组元最常用的方法。研究发现，陶瓷颗粒与纤维的直径比例对实现陶瓷颗粒的致密堆积非常重要。采用真空浸渍法在2.5D碳纤维织物中引入HfB2浆料，得到碳纤维增强HfB2复合材料。氧-乙炔焰考核发现，当不同粒径的HfB2颗粒混合使用时，复合材料在氧-乙炔焰考核时表现出最好的抗烧蚀性能，图3为材料考核后的表面状态。此外，前驱体浸渍裂解、反应熔渗法也可用来制备低烧蚀防热材料。超高温低烧蚀防热材料的微观结构与制备工艺紧密相关，进而决定材料性能。指出，采用两种或以上复合工艺可能是获得高性能低烧蚀防热材料的潜在方法。

图3?低烧蚀复合材料经氧-乙炔焰考核后的表面形貌（2700℃/60s）

国内在C/C复合材料基体改性方面开展了大量研究工作。通过物理掺杂、化学络合等工艺方法在碳纤维织物中引入Hf、Zr、Ta、W等难熔金属组元的碳化物、硼化物及硅化物，制备出超高温本体抗氧化C