碳纤维增韧超高温陶瓷复合材料的微结构构筑、可控制备与性能研究

Carbon fiber reinforced ultra-high temperature ceramic composites, as a kind of non-ablative high temperature thermal protection material with great application value, have important scientific and engineering significance for promoting the development of hypersonic vehicles. The co-design of strengthening-toughening and oxidation resistance is the key scientific issues, which currently limited the development and application. To address the problem, this project will carry out the study on the microstructure construction, controllable preparation and properties of carbon fiber reinforced ultra-high temperature ceramic composites. Through the innovatice researches on carbon fiber surface modification, interface optimization design and preparation methods, the continuous control of composition and microstructure for ultra-high temperature ceramic and carbon fiber in three-dimensional space as well as low-temperature sintering to densification will be achieved. The relationship among compositions, microstructure and mechanical behavior accompanied by the behavior and mechanism of oxidative ablation under aerodynamic thermal environment of composite will be revealed. Thereby the co-design of strengthening-toughening and oxidation resistance will be realized, promoting the basic research and engineering applications in hypersonic vehicles of carbon fiber reinforced ultra-high temperature ceramic composites.

碳纤维增韧超高温陶瓷复合材料作为一类极具应用价值的非烧蚀型防热材料，对于推动高超声速飞行器的研发具有重要的科学意义和工程价值，强韧化与抗氧化协同是目前限制该类材料发展和应用的核心科学问题。本项目将针对这一核心科学问题，开展碳纤维增韧超高温陶瓷复合材料的微结构构筑、可控制备与性能研究，通过碳纤维表面改性、界面优化设计及实现方法与制备工艺的创新，实现超高温陶瓷与碳纤维在三维空间上的双连续及组分与微结构的精细调控，突破低温烧结致密化难题，阐明碳纤维增韧超高温陶瓷复合材料组分、微结构与力学行为之间的关联关系，揭示在气动热环境下材料的氧化烧蚀行为及机理，实现碳纤维增韧超高温陶瓷复合材料的强韧化与抗氧化协同，助推碳纤维增韧超高温陶瓷复合材料的基础研究以及在高超声速飞行器中的工程应用。

本项目针对碳纤维增韧超高温陶瓷复合材料强韧化与抗氧化协同这一核心科学问题，开展了碳纤维增韧超高温陶瓷复合材料的微结构构筑、可控制备与性能研究，获得了水热过程中的液相产物、固相产物以及碳纤维表面涂层的结构演变规律，揭示了水热涂层的形成机理，实现了碳纤维表面均匀致密碳涂层的高效可控、绿色快速制备，提出了超高温陶瓷基复合材料全新制备方法，构筑了超高温陶瓷与碳纤维在三维空间上的双连续结构，解决了气相沉积、前驱体浸渍裂解等超高温陶瓷传统“气相”、“液相”引入方法存在的高含量超高温陶瓷引入难（通常≤10 vol.%）、碳纤维增强体高温损伤（＞1500℃）、高动压服役过程原位氧化层抗冲刷烧蚀能力差等难题，显著缩短了制备周期并降低了制造成本，同时具有优异的普适性，不再受结构尺寸、形状以及厚度限制。利用该方法制备的连续碳纤维增韧超高温陶瓷复合材料表现出优异的可靠性，室温、高温弯曲强度分别高达591±52 MPa（RT）和503±87 MPa（1400℃），断裂功较单相超高温陶瓷材料或其他方法增韧的超高温陶瓷复合材料实现提升数十倍（断裂功>10000J/m2），断裂韧性也从4~5 MPa∙m1/2提高到15 MPa∙m1/2以上，复合材料通过了1600~2500℃宽温域长时间氧化烧蚀考核，表现出优异的抗氧化烧蚀性能，实现了纤维增韧超高温陶瓷复合材料的强韧化与抗氧化协同，克服了本征脆性这一长期制约工程化应用的科学难题，有力推动了碳纤维增韧超高温陶瓷复合材料的基础性研究以及工程化应用，实现了极端环境下超高温陶瓷复合材料关键热端部件的产品化和定制化需求。