东京理科大学成功开发出碳纤维增强超高温陶瓷复合材料 ,可承受高温2000℃

2022年11月17日，东京理科大学宣布，由该大学工程研究生院领导的一个研究小组开发了一种基于锆（Zr）和钛（Ti）合金的碳纤维增强超高温陶瓷复合材料（C/UHTCMC），经表征后，确认其可承受2000°C以上的超高温。该研究成果于2022年10月27日在线刊登在国际学术杂志《Journalof Materials Science》上。 研究背景 碳纤维增强碳复合材料（C/C复合材料）作为轻质、耐热材料，一直用于航天飞机和超音速飞机的部件。 然而，在高温环境下，抗氧化性低，应用有限是一个挑战。 超高温陶瓷 （UHTC） 和碳化硅复合材料 （ZrB）2-SiC、ZrC-SiC、ZrB2-ZrC-SiC 等）在 1700°C 或更高的高温下具有优异的抗氧化性和耐热性。 然而，基于含硅化合物的复合材料在超高温环境下由于共晶的形成和含有硅的化合物本身的氧化而显著恶化。 因此，研究小组一直在研究这种新材料，即使在超高温环境中也不会变质，其目的在于评估其实用性，并专注于以Zr和Ti为主要成分的C/UHTCMC。 然后，对不同合金成分生产的三种C/UHTCMCs进行了电弧风洞试验、表面分析和热力学分析，并对其进行了表征。 电弧风洞试验 研究结果 通过熔融浸渍法合成了三种C/UHTCMCs（Z20、Z36、Z80），在三个不同的条件下进行电弧风洞测试。结果表明，当复合材料中Zr含量增加时，电弧风洞试验后材料厚度增加，表面形成的氧化物的熔点也随之增加。 研究还发现，复合材料表面产生的液相流向外表面，进一步促进了复合材料的氧化。 此外，由于含有大量Zr的碳化物的氧化在热力学上优先于含有大量Ti的碳化物，因此，在任何温度条件下，复合材料的降解都会得到抑制。 然后，通过表面分析和热力学分析对材料表面形成的氧化物进行了评价。材料表面形成的Ti和Zr氧化物主要为TiO2固体溶液，ZrTiO4固体溶液，ZrO2固体溶液，并表明这些可以抑制复合材料的进一步氧化。 特别是，在Z80中，ZrO高达2000°C2在保持固体溶液和液相的同时，在2600°C以上时，表面仅形成液相，表面氧化物消失。 结果表明，Z80在超高温环境下减少量小，抗氧化性强，最适合耐热材料。 关于本研究的结果，领导这项研究的伊努埃教授说：“我们从事陶瓷及其复合材料的研究，近年来，我们收到了多家重工制造商关于能够承受2000°C以上超高温的材料的咨询，我们开始从事这项研究。 如果这些材料能够实际使用，超高速客机将实现，我们的生活将更加丰富。 （中国粉体网编辑整理/空青） 注：图片非商业用途，存在侵权请告知删除！