用于超高温的陶瓷基复合材料

[据美国高性能复合材料（High-Performance Composites）杂志2013年11月1日报道]对于最极端的环境——如高超声速和超声速飞行器的前缘，必须承受超过2000°C/3632°F的温度、腐蚀性大气等离子体和极端温度变化的冲击——通常需要非氧化物超高温（UHT）陶瓷基复合材料（CMC）。虽然陶瓷基复合材料行业中大部分开发工作集中在氧化物陶瓷基复合材料，但非氧化物陶瓷基复合材料非常适用于固体火箭发动机推进系统、导弹的结构件和热保护系统、高超声速和超音速飞行器的外轮廓。

“硅基或氧化物陶瓷基复合材料是针对更长寿命(100000小时和更多循环时间)的应用；而超高温CMC被用于更热，但任务持续时间很短的领域，”MATECH公司首席执行官Edward J. A. Pope博士解释说。MATECH公司（马里兰州，索尔兹伯里）是氧化物和非氧化物纤维以及CMC零件制造商。

“非氧化物具有低孔隙度、耐磨性、高基体密度和耐极高温的性能，”Lancer LP公司(宾夕法尼亚州，艾伦镇)总裁Bill Meiklejohn解释说，“非氧化物陶瓷基复合材料是所有CMC中耐热能力最高的，可以从基体获得大量力学性能，”他补充道。

“我们的超高温陶瓷基复合材料用于温度大于3000°F（1650°C）小于5000°F（2760°C）的情况，”Pope说，“除了气重难熔金属合金，并没有太多的材料系统能够承受这个温度范围，”他继续说道，“但这些金属是沉重的，在温度范围的上端会变韧。相比之下，我们的材料的优点是非常轻量级的。“MATECH公司的非氧化物CMC的范围从2-3g/cm3，相比之下氧化物CMC为10-22 g/cm3。

超高温陶瓷基复合材料具有令人印象深刻的性能，但其代价昂贵。他们一般都是通过化学气相沉积法加工，原材料价格是氧化物基系统的10倍。非氧化物系统也比氧化物系统需要更长的加工时间。

“我们在导弹防御行业的工作主要是考虑在超高温度情况下的应用，”Pope说。MATECH开发的其他超高温材料包括碳化钽(TaC)陶瓷纤维和碳化铪(HfC)陶瓷纤维。两者都适用于固体推进剂火箭喷口。该公司还生产氧化物材料以及其他的高温CMC。借助美国空军研究实验室(俄亥俄州，赖特-帕特森空军基地)的资助，该公司发明了一种化学计量碳化硅陶瓷纤维，这是针对轻水反应堆的核燃料元件包壳管、燃气轮机热端组件和高超音速前缘材料。该公司还生产氮化硅/碳化硅(SiNC)纤维，以连续的50-500丝牵引熔纺。据报道，这个SiNC纤维改善了蠕变强度；在温度高达1350°C /2462°F时，保持化学稳定；氧含量低于2%。（中国航空工业发展研究中心 胡燕萍）

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