新型可耐3000℃燒蝕陶瓷塗層及複合材料誕生

2017-08-22

中國科技網-科技日報長沙8月21日電(記者俞慧友通訊員曹希雅王建湘)“護航”高超聲速飛行器關鍵部件，有了可靠新材料。21日，記者從中南大學粉末冶金研究院獲悉，該校粉末冶金國家重點實驗室中國工程院院士黃伯雲團隊，開發出了一種新型可耐3000℃燒蝕的陶瓷塗層及複合材料，具有優越的抗燒蝕性和抗熱震性，被學界評為極具應用前景的材料體系，引發國際廣泛關注。該成果，發表於6月15日的《自然·通訊》上。

高超聲速飛行器，其飛行速度等於或大於5倍聲速，意味着每小時最低可飛行6120公里。“以此速度，約2小時便可從北京飛到倫敦。”團隊熊翔教授説。不過，如此高速飛行，需確保飛行器關鍵結構部件，如飛機鼻錐、翼前緣等，可承受劇烈的空氣摩擦，及高達2000-3000℃的熱氣流衝擊而不被破壞。“我們新合成的超高温陶瓷塗層及其複合材料，能為這些部件提供較好保護。”

熊翔稱，該新型陶瓷塗層改性炭/炭複合材料，由鋯、鈦、碳、硼元素組成的四元含硼單相碳化物構成，具穩定的碳化物晶體結構。其主要通過熔滲工藝，將多元陶瓷相引入多孔炭/炭複合材料中獲得。該超高温陶瓷兼具了碳化物的高温適應性，和硼化物的抗氧化特性，使這種塗層和複合材料表現出了優越的抗燒蝕性和抗熱震性。除經受住3000℃超高温考驗，該陶瓷氧化物所具備的低氧擴散速率、高温自癒合能力、陶瓷塗層緻密和梯度結構，也使該陶瓷表現出了相對其他陶瓷體系更低的材料燒蝕損失率。

據悉，這也是世界上首次合成這種四元含硼碳化物單相超高温陶瓷材料，並製成塗層，與炭-炭材料完美“融合”。而現行新材料領域，主流為二元化合物體系混合材料的研究。因此，它的研製成功，將大大促進四元體系材料在高超聲速領域中的應用研究。

中南大學副校長周科朝介紹，耐燒蝕陶瓷塗層及其改性炭/炭複合材料的研製歷史，至今已經歷15年。在國家863、973和國家自然科學基金的支持下，中南大學熊翔團隊，從炭/炭複合材料中高温(<1600℃)抗氧化塗層入手，試圖尋找具優異抗氧化性能和耐燒蝕性能的新型超高温陶瓷塗層材料。截至目前，篩選出了碳化硅、碳化鉭、碳化鈦、碳化鋯、硼化鋯、碳化鉿等數十種體系，及上百種成份含量的高温材料，幾乎囊括現存超高温陶瓷和高温複合材料。此次，團隊應用“材料基因工程”技術，快速遴選出合適的陶瓷超高温材料，加快了研發週期，最終實現了3000℃超高温環境下新型耐燒蝕陶瓷塗層開發的突破。