随航空航天技术的快速发展,高超声速飞行器已经成为世界航天大国竞相研究的热点。该类飞行器一般具有尖锐的前缘结构,使其在服役过程中表面产生很高的热流,因此对防热材料的耐温极限、高温抗氧化性和抗热冲击性能提出了苛刻的要求。超高温陶瓷因具有优异的高温综合性能而备受青睐,其中的 ZrB2 陶瓷因具有高熔点、低密度、较高的热导率和适中的热膨胀系数而被认为是一种极具潜力的超高温防热结构材料。
ZrB2-SiC-Csf复合材料是一种非常有前途的超高温防热结构材料, 可用于大气层内高超声速飞行器、再入飞行器的鼻锥、前缘以及发动机燃烧室的关键热端部件。抗热冲击性能的提升是研制该类材料的核心,通过低温烧结抑制碳纤维的结构损伤可大幅度提升抗热冲击性能。
( 1) 采用放电等离子烧结和热压烧结的方法制备了 ZrB2-SiC-Csf复合材料, 揭示了烧结温度是导致碳纤维结构损伤的主要因素,提出降低烧结温度能有效抑制碳纤维的结构损伤。
( 2) 采用热压烧结法在 1450 ℃ 的低温下制备的 ZrB2-SiC-Csf复合材料表现出良好的力学性能和优异的抗热冲击性能,其临界热冲击温差高达 741 ℃ ,显著高于传统的 ZrB2 基超高温陶瓷复合材料。
( 3) 从热力学的角度分析了碳纤维结构损伤的机理, 提出碳纤维增韧 ZrB2-SiC 超高温陶瓷复合材料的烧结温度应低于 1500 ℃ ,为该类材料的研制提供了理论支撑。

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