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），它可以承受超过2000℃的超高温，预计将用于高超音速飞机、高超音速飞机和火箭。该研究成果于2022年10月27日在线刊登在国际学术杂志《JournalofMaterialsScience》上。
研究细节
据东京理科大学官网介绍，该研究小组是通过熔融浸渍法合成了以Zr、Ti、C为主要成分的3种C/UHTCMCs，并在不同条件下对样品进行了电弧风洞试验。结果发现，随着复合材料中Zr的含量增加，电弧风洞试验后的厚度增加，在表面形成的氧化物的熔点也上升。
另外他们还确认，复合材料的氧化是通过在复合材料表面形成的液相向外表面流动而加速的，富含Zr的碳化物的氧化在热力学上优先于富含Ti的碳化物，因此即使在不同的温度条件下也能减少复合材料的降解。
在此基础上，通过表面分析或热力学分析对在材料表面形成的氧化物进行评价，结果发现在材料表面形成的Ti和Zr的氧化物主要是TiO2固溶体、ZrTiO4固溶体、ZrO2固溶体，它们能够抑制复合材料的进一步氧化。特别是Zr和Ti的比率为80:20时，ZrO2固溶体和液相可维持到2000℃，而在2600℃以上，只有液相在表面形成，表面的氧化物消失。
基于这些结果，研究小组得出结论，Zr/Ti比例为80:20的复合材料最适合作为耐热材料——即使在非常高的温度下也具有低耗损和高抗氧化性。
结语
长期以来，碳纤维增强碳复合材料被用作航天飞机和高超音速飞机部件的轻质和耐热材料，但其在高温下的低抗氧化性限制了其应用——因为以5马赫（约6200公里/小时）及以上速度飞行的飞机，会因为空气动力加热表面温度高达数千摄氏度，因此有必要开发能够承受如此高温的新材料。
这项研究是由一家重工业制造商的咨询引发的，研究小组表示，如果这些材料能够作为耐热材料投入实际使用，将有可能实现超高速客机。
粉体圈Coco编译
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