用于超高溫的陶瓷基復(fù)合材料

[據(jù)美國(guó)高性能復(fù)合材料（High-Performance Composites）雜志2013年11月1日?qǐng)?bào)道]對(duì)于最極端的環(huán)境——如高超聲速和超聲速飛行器的前緣，必須承受超過(guò)2000°C/3632°F的溫度、腐蝕性大氣等離子體和極端溫度變化的沖擊——通常需要非氧化物超高溫（UHT）陶瓷基復(fù)合材料（CMC）。雖然陶瓷基復(fù)合材料行業(yè)中大部分開(kāi)發(fā)工作集中在氧化物陶瓷基復(fù)合材料，但非氧化物陶瓷基復(fù)合材料非常適用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)、導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)件和熱保護(hù)系統(tǒng)、高超聲速和超音速飛行器的外輪廓。

“硅基或氧化物陶瓷基復(fù)合材料是針對(duì)更長(zhǎng)壽命(100000小時(shí)和更多循環(huán)時(shí)間)的應(yīng)用；而超高溫CMC被用于更熱，但任務(wù)持續(xù)時(shí)間很短的領(lǐng)域，”MATECH公司首席執(zhí)行官Edward J. A. Pope博士解釋說(shuō)。MATECH公司（馬里蘭州，索爾茲伯里）是氧化物和非氧化物纖維以及CMC零件制造商。

“非氧化物具有低孔隙度、耐磨性、高基體密度和耐極高溫的性能，”Lancer LP公司(賓夕法尼亞州，艾倫鎮(zhèn))總裁Bill Meiklejohn解釋說(shuō)，“非氧化物陶瓷基復(fù)合材料是所有CMC中耐熱能力最高的，可以從基體獲得大量力學(xué)性能，”他補(bǔ)充道。

“我們的超高溫陶瓷基復(fù)合材料用于溫度大于3000°F（1650°C）小于5000°F（2760°C）的情況，”Pope說(shuō)，“除了氣重難熔金屬合金，并沒(méi)有太多的材料系統(tǒng)能夠承受這個(gè)溫度范圍，”他繼續(xù)說(shuō)道，“但這些金屬是沉重的，在溫度范圍的上端會(huì)變韌。相比之下，我們的材料的優(yōu)點(diǎn)是非常輕量級(jí)的?！癕ATECH公司的非氧化物CMC的范圍從2-3g/cm3，相比之下氧化物CMC為10-22 g/cm3。

超高溫陶瓷基復(fù)合材料具有令人印象深刻的性能，但其代價(jià)昂貴。他們一般都是通過(guò)化學(xué)氣相沉積法加工，原材料價(jià)格是氧化物基系統(tǒng)的10倍。非氧化物系統(tǒng)也比氧化物系統(tǒng)需要更長(zhǎng)的加工時(shí)間。

“我們?cè)?strong>導(dǎo)彈防御行業(yè)的工作主要是考慮在超高溫度情況下的應(yīng)用，”Pope說(shuō)。MATECH開(kāi)發(fā)的其他超高溫材料包括碳化鉭(TaC)陶瓷纖維和碳化鉿(HfC)陶瓷纖維。兩者都適用于固體推進(jìn)劑火箭噴口。該公司還生產(chǎn)氧化物材料以及其他的高溫CMC。借助美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(俄亥俄州，賴特-帕特森空軍基地)的資助，該公司發(fā)明了一種化學(xué)計(jì)量碳化硅陶瓷纖維，這是針對(duì)輕水反應(yīng)堆的核燃料元件包殼管、燃?xì)廨啓C(jī)熱端組件和高超音速前緣材料。該公司還生產(chǎn)氮化硅/碳化硅(SiNC)纖維，以連續(xù)的50-500絲牽引熔紡。據(jù)報(bào)道，這個(gè)SiNC纖維改善了蠕變強(qiáng)度；在溫度高達(dá)1350°C /2462°F時(shí)，保持化學(xué)穩(wěn)定；氧含量低于2%。（中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心 胡燕萍）

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