新型可耐3000℃烧蚀陶瓷涂层及复合材料诞生

2017-08-22

中国科技网-科技日报长沙8月21日电(记者俞慧友通讯员曹希雅王建湘)“护航”高超声速飞行器关键部件，有了可靠新材料。21日，记者从中南大学粉末冶金研究院获悉，该校粉末冶金国家重点实验室中国工程院院士黄伯云团队，开发出了一种新型可耐3000℃烧蚀的陶瓷涂层及复合材料，具有优越的抗烧蚀性和抗热震性，被学界评为极具应用前景的材料体系，引发国际广泛关注。该成果，发表于6月15日的《自然·通讯》上。

高超声速飞行器，其飞行速度等于或大于5倍声速，意味着每小时最低可飞行6120公里。“以此速度，约2小时便可从北京飞到伦敦。”团队熊翔教授说。不过，如此高速飞行，需确保飞行器关键结构部件，如飞机鼻锥、翼前缘等，可承受剧烈的空气摩擦，及高达2000-3000℃的热气流冲击而不被破坏。“我们新合成的超高温陶瓷涂层及其复合材料，能为这些部件提供较好保护。”

熊翔称，该新型陶瓷涂层改性炭/炭复合材料，由锆、钛、碳、硼元素组成的四元含硼单相碳化物构成，具稳定的碳化物晶体结构。其主要通过熔渗工艺，将多元陶瓷相引入多孔炭/炭复合材料中获得。该超高温陶瓷兼具了碳化物的高温适应性，和硼化物的抗氧化特性，使这种涂层和复合材料表现出了优越的抗烧蚀性和抗热震性。除经受住3000℃超高温考验，该陶瓷氧化物所具备的低氧扩散速率、高温自愈合能力、陶瓷涂层致密和梯度结构，也使该陶瓷表现出了相对其他陶瓷体系更低的材料烧蚀损失率。

据悉，这也是世界上首次合成这种四元含硼碳化物单相超高温陶瓷材料，并制成涂层，与炭-炭材料完美“融合”。而现行新材料领域，主流为二元化合物体系混合材料的研究。因此，它的研制成功，将大大促进四元体系材料在高超声速领域中的应用研究。

中南大学副校长周科朝介绍，耐烧蚀陶瓷涂层及其改性炭/炭复合材料的研制历史，至今已经历15年。在国家863、973和国家自然科学基金的支持下，中南大学熊翔团队，从炭/炭复合材料中高温(<1600℃)抗氧化涂层入手，试图寻找具优异抗氧化性能和耐烧蚀性能的新型超高温陶瓷涂层材料。截至目前，筛选出了碳化硅、碳化钽、碳化钛、碳化锆、硼化锆、碳化铪等数十种体系，及上百种成份含量的高温材料，几乎囊括现存超高温陶瓷和高温复合材料。此次，团队应用“材料基因工程”技术，快速遴选出合适的陶瓷超高温材料，加快了研发周期，最终实现了3000℃超高温环境下新型耐烧蚀陶瓷涂层开发的突破。