C/C复合材料在航空中的应用展望

  C/C复合材料是先进空天飞行器及其动力更系统.等重大工程不可或缺的战略性材料。C/C复合材料复合材料同时兼具碳纤维的优异的力学性能,在航天、航空.化工领域.核工业等具有广泛的应用价值。尤其是,碳/碳复合材料应用于飞行器的高温防热部位,如头锥等尖端部位。同时也能用于火箭的发动机喉衬等部位。

  C/C复合材料已成为21世纪不可或缺的战略性材料,近年来已经在航空航天等领域受到越来越多的关注。飞行器在高速飞行过程中,由于受到启动加热的影响,飞行器的鼻锥、固体火箭发动机喷管等等部位将面临超过3000℃高温的冲刷,因此,C/C复合材料已成为该部位的候选材料。例如,美国MK等型号导弹的鼻锥帽就是在用了C/C复合材料,在前期的实验验证中,该材料表现出良好的烧蚀性能,且整体外形保持良好,提高了该型号飞行器的命中率及精度。

  此外,在欧洲等具有代表性的发达国家,也在积极研制更高温度,拓展C/C复合材料的应用领域。采用C/C复合材料制备的火箭发动机喷管,重量减轻了20%-30%,提高了复合材料应用效率。然而,C/C复合材料在有氧环境下的氧化进一步限制了其广泛的应用,研究者们通过在C/C复合材料表面制备抗氧化涂层,成功地将其应用于飞机上,实现了复合材料的防热一体化结构设计,同时也大大减轻了飞机的重量。

  C/C复合材料在高温极端环境下服役过程中主要有氧化、升华及剥落等方式对复合材料造成损伤。尤其是C/C复合材料在有氧环境下的氧化问题是限制其在长时间服役的飞行器下应用的技术瓶颈问题。就目前发展而言,主要有两种方式提高C/C复合材料的抗氧化性能:一是在基体中引入抗氧化性能优异的第三相陶瓷相,如ZrB2、SiC等,但是由于在碳纤维内部和碳纤维单丝上包覆其他陶瓷相具有一定的困难;二是表面涂层法,即在C/C复合材料表面制备一层高温抗氧化涂层,用于保护基体材料。

  从目前的发展情况来看,涂层法是最有潜力的一种方法。早期,主要研究适用于900℃左右的抗氧化添加剂,主要有氧化硼、碳化硼以及氮化硼等;采用硅基化合物,如SiC、SiO2以及MoSi;等可以将抗氧化性能提升至1300℃左右;对于更高的使用温度要求,采用较高的难熔化合物作为添加剂是目前研究的热点。因此,在今后,针对C/C复合材料抗氧化问题,需要展开深入系统的研究。