中南大学《JMST》：新型复合材料喷嘴在固体火箭发动机环境中的烧蚀行为！

超高温陶瓷改性C/C复合材料兼具C/C材料轻质高强与陶瓷相的抗氧化烧蚀性能，已成功应用于高超声速飞行器热防护部件(如鼻锥、机翼前缘等)。然而，超高温陶瓷改性C/C复合材料在固体火箭发动机(SRM)环境中易发生陶瓷相冲蚀剥落的问题，难以起到抵抗高温燃气冲刷的作用，这严重限制了其在SRM喉衬中的应用。因此提升超高温陶瓷改性C/C复合材料基体相强度使其在高温、高压、二相流粒子冲蚀条件下具有优异烧蚀性能是极具挑战的。

近日，中南大学粉末冶金全国重点实验室的熊翔教授和孙威教授团队报道了一种金属(W,Cu)与超高温陶瓷改性C/C高效复合的C/C-(Hf, Zr, Ti)C-(Hf, Zr, Ti)B2-W-Cu的材料(HZTBW)，在SRM环境中展现较好的抗冲蚀性能。提出新的两步法方案，首先在C/C坯体中预构多孔WB2骨架，随后通过熔渗低熔点合金引发陶瓷骨架脱硼反应，促使陶瓷相原位转化为金属W。系统研究了HZTBW的微观结构、形成机制、力学性能、热物理性能与SRM环境下的冲蚀性能，分析冲蚀机制。

该工作以“Ablation behavior of C/C-(Hf, Zr, Ti)C-(Hf, Zr, Ti)B2-W-Cunozzle-throats in a solid rocket motor environment”为题发表在材料科学与工程权威期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。论文的第一作者为中南大学粉末冶金研究院博士生许俊杰，通讯作者为孙威教授，熊翔教授、曾毅教授和文青波教授为共同作者。

创新点

• 开发了一种能在C/C坯体内部构建连续且致密金属陶瓷相的工艺，较传统反应熔渗法，熔渗温度可降低600℃。

• 首次在C/C坯体内部引入高体积含量的W-Cu金属相。金属相通过裂纹偏转、绕过与桥联等机制增加裂纹扩散路径有效提升材料力学性能。

• 固体火箭发动机测试后HZTBW材料表面形成高强W骨架抵御Al2O3颗粒机械剥蚀。另外填充于W骨架中的高致密(Hf, Zr, Ti)O2与低氧扩散Hf-Zr-Ti-C-O相能有效阻隔含氧组分的渗入，降低材料热化学烧蚀。

数据概况

图1. HZTBW复合材料的物相组成和微观结构。（a）–（e）HZTBW样品截面的SEM图，(c1)–(c6)图c中的EPMA图。

图2. HZTBW金属陶瓷的TEM分析，(a) HAADF 图, (a1)–(a5) 图(a)中EDS面扫图, (b) 图(a)中沿箭头方向元素线扫图. (c)–(f) HRTEM 图，(c) Phase I, (d) Phase II, (e) Phase III, (f) Phase IV. 相应的SAED分布其中.

图3. C/C-(Hf, Zr, Ti)C-(Hf, Zr, Ti)B2-W-Cu复合材料位移-强度曲线：(a) 抗弯，(b)压缩

图4. (a) HZTBW样品在固体火箭发动机环境下的压力-时间曲线，(b) 烧蚀前后样品对比图

图5. (a) HZTBW样品在固体火箭发动机环境烧蚀后表面形貌图，(b), (c), (e), (f) 图(a)中的放大图，(d) 图(c)中的放大图，(g) 图(f)中的放大图。

结论展望

作者通过浆料浸渍-低温反应熔渗工艺成功在C/C复合材料中制备出具有高体积金属W,Cu的HZTBW。材料表现出一系列优异的性能，包括高致密度、高导热性、高机械强度。值得注意的是，本文制备的金属陶瓷改性C/C复合材料在SRM环境下展现较好的抗冲刷性能，显著优于传统超高温陶瓷改性C/C复合材料。优异的抗冲蚀性能可归因于HZTBW在烧蚀过程中W颗粒快速烧结形成高强W骨架抵御Al2O3颗粒机械剥蚀。另外填充于W骨架中的高致密(Hf, Zr, Ti)O2与低氧扩散Hf-Zr-Ti-C-O相能有效阻隔含氧组分的渗入降低材料热化学烧蚀。这为提高陶瓷改性C/C复合材料在发动机燃气冲蚀环境下的性能提供了新的途径，对航天领域燃料推进系统具有重要指导意义。

本文来自公众号“材料科学与工程”，感谢作者团队支持。