美國開發超高溫C/C復合材料 抗燒蝕抗氧化性能提升20倍

據外媒報道，總部位于美國加州的MATECH公司與一家知名的國防承包商達成合作，雙方將共同運用MATECH公司獨特的碳纖維增強ZrOC（C/ZrOC）陶瓷基復合材料研制適用于飛行測試的高超音速導彈殼體。值得一提的是，MATECH公司在2023年已成功量產了50公斤的陶瓷基復合材料（CMC），為此次合作奠定了堅實基礎。

MATECH公司所研發的超高溫且尺寸穩定的結構絕緣材料，為應對高超音速導彈殼體在高速飛行中所遭遇的高溫難題提供了有力支持。由于這些導彈殼體在高超音速飛行狀態下會產生極高溫度，因此飛行速度越快，溫度也就相應攀升。得益于MATECH的C/ZrOC陶瓷基復合材料，這一難題得以有效解決。這種材料不僅低燒蝕，更適用于高超音速環境，而且成本低廉、可大規模生產，制造過程也相對簡便。該材料已在多個實驗室的極端條件下，經受了2760°C以上高溫的嚴峻考驗，且制造成本與金屬產品相比毫不遜色，甚至更為低廉。

除了在高超音速導彈殼體上的應用，MATECH的C/ZrOC熱防護系統同樣適用于商用航天器的可重復使用隔熱罩。此外，該材料還能承受月球返回和火星返回時所遭遇的極端熱通量。

自1989年成立以來，MATECH公司一直專注于高溫和超高溫陶瓷纖維與陶瓷基復合材料的商業化研發。他們開發出一系列預陶瓷聚合物，為高溫結構應用提供了碳化硅（SiC）、氮化硅/碳化硅（SiNC）、碳氧化硅（SiOC）、氮化硅（Si3N4）以及碳化鉿（HfC）等多種高性能材料。

高超音速導彈鼻尖是材料界面臨的*嚴苛的超高溫（UHT）環境之一。在此環境下，保持導彈的形狀穩定至關重要，因為這直接關系到導彈的運行性能。

碳化硅等高密度熱壓陶瓷材料，以其優異的氧化和燒蝕性能脫穎而出。然而，這類陶瓷材料也存在一些不足，如抗熱震性較差、韌性較低。相比之下，陶瓷基復合材料則兼具高韌性與高性能。

目前，陶瓷基復合材料的制備方法通常起始于40-50%密度的CMC，再通過場輔助燒結技術進行加工。但這種方法*終得到的密度往往達不到100%，且由于纖維破壞，材料性能受損。為此，MATECH公司意識到，從預制件階段就必須追求更高的致密度，將孔隙率降至7-10%。公司后來成功證明了這一策略的有效性，能夠在短短不到10分鐘的時間內，獲得高達9%致密度的SiC/SiC材料，同時具備期望的強度和韌性。

碳-碳（C/C）復合材料，*初在1958年被開發為彈道再入鼻尖材料，其高密度版本展現出了*的性能。然而，這種材料在高溫和滯流壓力環境下，燒蝕率顯著升高。針對這一問題，MATECH公司創新地開發了一種具有極低燒蝕率的高超音速材料——C/ZrOC復合材料。這種材料不僅成本低廉，適合大規模生產，而且制造過程相對簡便。得益于美國導彈防御局的支持，MATECH公司進一步將C/ZrOC熱防護系統和推進變型系統推向了高超音速和導彈防御應用的資格預審階段。這些創新材料和系統專為滿足國防和民用太空的關鍵需求而設計，兼具高性能與易制造性。

此次MATECH公司又取得了新的重大進展，成功研發出超高密度碳纖維增強碳基（C/C）復合材料。這一創新技術使得C/C復合材料在抗燒蝕和抗氧化方面的能力較現有產品提升了高達20倍。這一突破性進展預示著該材料有望被廣泛應用于高超音速導彈以及彈道再入等鼻尖和前緣部件的制造中。

來源：玻纖技術信息

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