可重复使用超高温陶瓷基复合材料研究进展

原文发表于《科技导报》202 6年第13期《可重复使用超高温陶瓷基复合材料研究进展》

随着空天飞行器向更高速度、可重复使用与轻量化方向快速发展，其热防护系统面临极端高温、重复烧蚀及力学承载等多重严苛挑战。《科技导报》邀请中国科学院上海硅酸盐研究所陈博文副研究员团队撰写文章，系统综述了空天飞行器热防护材料的主要类别，分析了可重复使用对热防护材料的性能要求，并重点聚焦于超高温陶瓷基复合材料在耐重复烧蚀等方面的研究进展，分别从材料组分设计与优化、纤维与界面调控、轻量化与结构功能一体化设计以及先进制备工艺等关键方向展开论述。研究表明，通过多相复合、稀土掺杂、高熵设计等组分优化手段，结合纤维/界面体系创新设计，超高温陶瓷基复合材料的抗重复烧蚀性能和结构可靠性已取得显著提升。展望未来，该领域仍需在长时循环力-热耦合下的性能退化机制、纤维/界面在氧化环境中的耐久性、寿命预测与评估方法以及低成本高效制备技术等方面开展跨尺度机理研究与工程化应用探索，以推动其在可重复使用空天飞行器等尖端装备上的实际应用。

先进空天飞行器具有结构高度轻量化、高机动性、复杂的飞行包线。其在高速再入时，受高速气流冲击，表面温度急剧升高，飞行器鼻锥、机翼前缘等部位温度最高可达2000℃以上（图1）。传统热防护材料（如一次性烧蚀材料、金属等）存在性能上限低、无法承载等问题，难以满足未来空天飞行器可重复使用、耐极高温、承载等苛刻要求。超高温陶瓷基复合材料兼具高熔点、轻量化、耐重复烧蚀、性能可设计的优势，通过引入连续纤维增韧克服陶瓷的脆性问题，显著提高了可靠性，有望成为新型空天飞行器可重复使用热防护系统的理想材料体系。

图1 空天飞行器气动加热效应

1 空天飞行器热防护材料体系概述

1.1 空天飞行器热防护材料简介

空天飞行器在再入大气层、跨大气层飞行或高速巡航时，会面临极为严酷的气动加热环境，鼻锥、机翼前缘等部位最高温度可超过2000℃。根据防热机理与可重复使用潜力，热防护材料可分为一次性烧蚀材料和可重复使用热防护材料。经过数十年发展，热防护材料已形成涵盖金属材料、树脂基复合材料、气凝胶隔热材料、超高温陶瓷、C/C复合材料、陶瓷基复合材料等在内的多元化材料体系（图2）。

图2 金属防热盖板结构示意

1）金属材料。金属热防护材料主要以钛合金、镍基合金和难熔金属为主，具有强度高、韧性好、抗冲击等优势，主要应用于中温区（一般不超过1000℃）的热结构部件。金属材料受限于熔点和高温软化特点，当温度接近固相线时强度急剧下降，使用温度受限。

2）树脂基复合材料。树脂基复合材料以有机高分子树脂为基体，以碳纤维、玻璃纤维或石英纤维为增强体。高温下树脂热解碳化吸收大量热量，但烧蚀过程中材料被永久损耗，且难以具备承载能力，不具备可重复使用能力，使用温度上限约1000℃。

3）气凝胶隔热材料。气凝胶是一种纳米多孔网络结构固体材料，孔隙率高达80%~99%，热导率极低。其不直接承受高速气流冲刷，而是作为隔热材料阻止热量向内部结构传递。但强度低，难以承受高载荷冲击，常作为填充材料使用。

4）超高温陶瓷。超高温陶瓷通常指熔点高于3000℃的难熔金属硼化物、碳化物和氮化物，如ZrB₂、HfB₂、TaB₂、ZrC、HfC、TaC等。具有高熔点、低密度、抗氧化烧蚀等优点，适用于航天器鼻锥、翼前缘等承载结构部件。但单相超高温陶瓷存在本征脆性大的问题，无法单独作为可重复使用热防护材料。

5）C/C复合材料。C/C复合材料由碳纤维增强体与碳基体组成，惰性气氛下随温度升高强度不降反升。但在约450℃以上会发生氧化，导致性能迅速衰退，成为限制其应用的关键瓶颈。研究人员通过抗氧化涂层保护实现一定温度下的多次使用，但涂层的长效稳定性和抗热震性能仍面临挑战（图3）。

图3 C/C复合材料在空天飞行器上的应用研究

6）陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料通过引入纤维、晶须或颗粒作为增强体增韧陶瓷基体，克服了传统陶瓷的本征脆性，显著改善了断裂韧性与抗热震性能，同时继承了高熔点、高强度、优异的高温稳定性和耐腐蚀性等核心优势，成为下一代可重复使用空天飞行器最具潜力的热防护材料体系。

综上所述，面对未来可重复使用空天飞行器的极端服役环境，传统热防护材料均存在各自的性能瓶颈。相比之下，超高温陶瓷基复合材料通过“纤维增韧超高温陶瓷基体”的协同设计，既保留了超高温陶瓷耐极端高温和抗烧蚀潜力，又显著改善了本征脆性问题，从而具备高损伤容限和优异的抗热震性能，成为新一代可重复使用空天飞行器热防护系统的理想选择。

1.2 空天飞行器可重复使用热防护材料需求

可重复使用热防护材料需满足4方面要求：（1）耐极端环境长寿命防热能力，在超过2000℃高温下保持稳定，具备优异的高温抗氧化性和稳定的辐射散热特性；（2）高结构可靠性与力学完整性，具备卓越的抗热震性能、高损伤容限与断裂韧性；（3）轻质化与结构功能一体化，实现热防护-承载一体化；（4）全生命周期经济性与可维护性，实现性能退化的可预测性、制造成本可控、性能可检测与可修复性。

2 超高温陶瓷基复合材料研究进展

2.1 陶瓷基复合材料简介与研究进展

陶瓷基复合材料主要由陶瓷基体、增强体和界面相3部分组成（图4）。

图4 陶瓷基复合材料制备方法及工艺流程

2.1.1 材料组成

陶瓷基体是复合材料的主体，主要起到耐高温、耐氧化烧蚀及抵御环境侵蚀等作用。常见基体材料包括：碳基体，主要应用于惰性或还原性环境，随温度升高强度增加，但抗氧化性能较差，常需表面制备抗氧化涂层；碳化硅基体，应用十分广泛，氧化环境中生成SiO₂氧化层阻隔进一步氧化侵蚀；氧化物基体（氧化铝、莫来石等），主要优点是无氧化问题，但高温抗蠕变能力较差；氮化物基体（氮化硅等），具有高硬度、良好的抗热震性及较高的断裂韧性。

增强体主要起到承载作用，是复合材料优异抗热震性能和高损伤容限的主要来源。连续增强体主要有碳纤维和碳化硅纤维。碳纤维是目前唯一能在3000℃以上保持高比强度、高比模量且热膨胀系数极低的纤维，但在高温环境中会迅速氧化；碳化硅纤维抗氧化性能更好，可在1300℃以内长期服役，但更高温度下性能会严重退化。非连续增强体包括颗粒和晶须，对韧性的改善效用有限。

界面相处于纤维和基体中间，起到保护纤维的作用，通过裂纹偏转、界面脱黏等方式增韧。常用界面相包括热解碳（PyC）、碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）等，根据应用需求可选择单层界面相或构建多层界面相。

2.1.2 制备工艺

陶瓷基复合材料制备方法主要包括化学气相沉积/渗透（CVD/I）、浆料浸渍、聚合物前驱体浸渍裂解（PIP）、反应熔体渗透（RMI）、热压烧结（HP）等（图5）。

图5 常见超高温陶瓷的熔点

化学气相沉积/渗透法将气态前驱体在高温下通入多孔纤维预制体孔隙中，在纤维表面反应生成固态陶瓷基体。通过精确控制反应温度、压力和气相组成，可实现由内而外的致密化。该方法制备的材料致密度高、对纤维损伤小，可获得优异力学性能，但工艺周期长、设备复杂、成本较高。

浆料浸渍与热压烧结法将陶瓷基体粉末、有机溶剂及分散剂混合制备稳定悬浮浆料，将纤维预制体浸渍于浆料中使陶瓷颗粒充分填充孔隙，经干燥、热解排胶后结合热压烧结进行致密化。该方法工艺简单、成本较低，但热压烧结的高温和压力会导致纤维损伤，降低力学性能。

前驱体浸渍裂解法选用具有目标陶瓷组分的有机前驱体溶解于溶剂中，将纤维预制体置于前驱体溶液中浸渍，随后在惰性气氛下高温裂解使前驱体转化为陶瓷基体。该方法制备温度低（通常低于1100℃），对纤维损伤较小，更易实现复杂结构材料成型，但致密化需多次循环，制备周期较长。

反应熔渗法将熔融金属包覆多孔预制体，在高温真空条件下熔融金属在毛细管力作用下渗入预制体，与预制体中反应物发生原位反应生成致密陶瓷基体。该方法工艺周期短、致密化效率高，但工艺温度较高可能损伤纤维，且生成的基体中通常含未反应的残余金属相，降低高温蠕变性能。

2.1.3 材料体系

陶瓷基复合材料根据耐温及应用特点，可分为高温用（长期使用温度一般不超过1600℃）和超高温用（设计使用温度可达1800℃以上乃至3000℃）。主要体系包括：

碳纤维增强碳化硅基（C/SiC）复合材料，以高性能连续碳纤维为增强体、碳化硅陶瓷为基体，是当前应用最成熟的高温结构陶瓷基复合材料体系之一，具有高比强度和低密度优势，但有氧环境下碳纤维在超过500℃时易被氧化。

碳化硅纤维增强碳化硅基（SiC/SiC）复合材料，具有更好的高温抗氧化性，在航空发动机涡轮外环、核包壳材料等领域应用前景广阔。

氧化物/氧化物陶瓷基复合材料，由氧化物纤维（氧化铝、莫来石）和氧化物基体（氧化铝、莫来石）组成，具备本征抗氧化能力，可在高温氧化环境下长期稳定服役，但耐温上限有限。

超高温陶瓷基复合材料，以熔点超过3000℃的难熔金属硼化物、碳化物和氮化物为基体（图6），以连续碳纤维为增强体，兼具高比强度、优异的抗热震性能及高温抗氧化烧蚀能力，是目前最具潜力满足可重复使用空天飞行器热防护系统严苛要求的前沿材料体系。

图6 ZrB₂-SiC陶瓷在1500℃空气环境下的氧化过程机理

2.2 可重复使用超高温陶瓷基复合材料研究进展

2.2.1 材料组分设计与优化

以ZrB₂和HfB₂为代表的单组元超高温陶瓷奠定了可重复使用陶瓷基复合材料体系的基础，但在超过1100℃时B₂O₃玻璃相加速挥发，导致氧化层保护作用失效。研究人员将SiC陶瓷作为第二相引入，实现了高温长效抗氧化的关键突破（图7）。在ZrB₂或HfB₂基复合材料中引入15%~30%（体积分数）的SiC，可显著提高1600℃以上的抗氧化性能。然而，在2200℃以上SiO₂玻璃相会因加速挥发而失去保护作用（图8）。

图7 Cf/ZrB₂-SiC复合材料在2500℃下的重复烧蚀行为

图8 Cf/ZrB₂-SiC-Y₂O₃复合材料重复烧蚀行为及烧蚀损伤机理

为此，研究人员通过多元掺杂来重构氧化层组成：Zeng等在C/C-SiC复合材料中引入TiC和ZrC，在2500℃下实现近零烧蚀；Liu等引入Al₄SiC₄改性剂，质量烧蚀率降低约80%。为抑制ZrO₂/HfO₂在循环冷却过程中的相变开裂，Chen等和Zhang等引入Y₂O₃等稀土元素，形成纳米核壳结构有效抑制相变，实现2500℃/300 s下重复烧蚀10次后近零烧蚀损伤（图9）。近年来，高熵设计理念被引入，通过构建多主元固溶体骨架，利用“高熵迟滞扩散效应”显著降低氧向内扩散速率（图10）。

图9 (CrZrHfNbTa)C-SiC高熵超高温陶瓷基复合材料

图10 全球碳纤维制造商及发展时间序列

2.2.2 纤维与界面调控

目前主流纤维是PAN基碳纤维，美国Hexcel公司IM10型碳纤维拉伸强度高达6.8 GPa；国产M55J级碳纤维拉伸强度达4.86 GPa、模量541 GPa。沥青基碳纤维因优异的高导热特性受到日益关注，轴向热导率可达500~1000 W/(m·K)，是PAN基碳纤维的5~10倍（图11）。界面相方面，Ding等构建（PyC/SiC）多层界面，在2200℃烧蚀条件下线烧蚀率下降约43%。Ren等在C/C复合材料表面制备SiC过渡层和HfC纳米线增强涂层，在2.4 MW/m²条件下循环烧蚀3次后表现出优异的抗重复烧蚀性能。

图11 Cf/(PyC/SiC)/SiBCN复合材料烧蚀机理

2.2.3 轻量化与结构功能一体化设计

主要通过3方面实现：（1）预制体结构设计与纤维体积分数调控，优化编织和排布方式，控制密度；（2）基体设计与梯度结构优化，选用密度较低的ZrB₂（~6.1 g/cm³）替代HfB₂（~10.5 g/cm³），或设计Zr/Hf比例，引入低密度第二相实现轻量化与性能平衡；（3）结构功能一体化设计，将热防护层与承载结构融合，避免质量冗余和连接问题。

2.2.4 先进制备工艺创新

主要进展包括：（1）新型前驱体设计与PIP优化，开发ZrC、ZrB₂等超高温陶瓷前驱体，提高陶瓷产率；（2）CVI工艺的强化与增效，采用温度梯度CVI等改进技术，沉积时间缩短至常规工艺的1/5~1/3；（3）复合工艺路线的协同应用，如CVI+RMI、CVI+PIP等，以及“3D打印+RMI”等新型组合工艺，在保证纤维性能、提高致密化程度和降低制备成本之间取得平衡。

3 结论与展望

超高温陶瓷基复合材料凭借高熔点、优异的高温抗氧化烧蚀性能、良好的抗热震性能及轻量化特质，已成为可重复使用空天飞行器热防护系统的理想材料体系。在组分设计方面，通过引入SiC第二相、多元掺杂、稀土改性及高熵设计，显著提升了抗氧化烧蚀性能；在纤维与界面调控方面，PAN基与沥青基纤维的发展及多层界面设计进一步提升了抗氧化与增韧效果；在轻量化与结构功能一体化方面，通过预制体优化、梯度设计及热防护-承载一体化设计实现协同提升；在制备工艺方面，PIP、CVI等工艺的优化及复合工艺开发为工程化制备提供了可行路径。

未来仍需攻克4方面核心挑战：（1）长时循环力-热耦合作用下性能退化机制尚不明确，需发展原位表征与多尺度模拟相结合的研究手段；（2）纤维/界面体系在重复氧化环境中的耐久性不足，需发展兼具高温稳定性及裂纹自愈合能力的新型抗氧化界面或涂层体系；（3）面向可重复使用的性能预测与寿命评估方法缺失，需结合大数据与人工智能构建多尺度寿命预测模型；（4）低成本、高效率制备工艺与工程化应用之间存在差距，需发展快速致密化、可适应复杂构件成型的低成本制备技术。

本文作者：刘付晨、陈博文、倪德伟、顾炎、林玲、蔡飞燕、丁玉生、董绍明

作者简介：刘付晨，中国科学院上海硅酸盐研究所结构陶瓷与复合材料工程研究中心、中国科学院大学材料科学与光电技术学院，博士研究生，研究方向为超高温陶瓷基复合材料；陈博文（通信作者），中国科学院上海硅酸盐研究所结构陶瓷与复合材料工程研究中心，副研究员，研究方向为超高温陶瓷基复合材料；董绍明（共同通信作者），研究员，中国工程院院士，研究方向为陶瓷基复合材料。

文章来 源 ： 刘付晨, 陈博文, 倪德伟, 等. 可重复使用超高温陶瓷基复合材料研究进展[J]. 科技导报, 2026, 44(13): 64-78.

本文有删改，

内容为【科技导报】公众号原创，欢迎转载
白名单回复后台「转载」

《科技导报》创刊于1980年，中国科协学术会刊，主要刊登科学前沿和技术热点领域突破性的研究成果、权威性的科学评论、引领性的高端综述，发表促进经济社会发展、完善科技管理、优化科研环境、培育科学文化、促进科技创新和科技成果转化的决策咨询建议。常设栏目有院士卷首语、科技新闻、科技评论、专稿专题、综述、论文、政策建议、科技人文等。