武汉理工大学 Composites Part B|一种面向增强抗烧蚀性能与高温隔热性能的陶瓷化复合材料梯度结构设计

文献分享|一种面向增强抗烧蚀性能与高温隔热性能的陶瓷化复合材料梯度结构设计

DOI:10.1016/j.compositesb.2026.113988

通讯作者：黄志雄教授

研究背景

背景方面，面向下一代高超音速飞行器在高速巡航与再入大气层时面临的极端气动加热环境，传统碳纤维/酚醛复合材料虽具备低密度与一定隔热性，但在高温有氧条件下易发生氧化侵蚀、烧蚀率陡增，而通过引入ZrSi₂、MoSi₂、B₄C等可陶瓷化无机填料虽能显著提升抗烧蚀性，却同时带来密度与热导率的上升，导致轻量化与高温隔热性能受损，如何在单一材料中协同平衡"低密度–抗烧蚀–高隔热"这一长期制约热防护材料发展的矛盾，成为该领域亟待解决的关键问题，且既有梯度材料研究多集中于金属/陶瓷体系，将梯度构型引入碳纤维/硼酚醛可陶瓷化复合材料以打破性能权衡的研究此前鲜有系统报道。

创新点

本文提出一种以ZrSi₂-MoSi₂-B₄C为可陶瓷化填料的梯度结构设计方案，制备出表面层高填料含量、中间层填料递减、内层无填料的全厚度方向梯度陶瓷化复合材料（GCC），使表面层在高温烧蚀时原位陶瓷化形成多相致密陶瓷层发挥耗氧固氧与阻热辐射作用，中间层借助基体裂解形成疏松多孔结构抑制导热，内层保留纯CF/BPR以维持低密低导，从实验上证实该构型在密度（1.68g/cm³）与热导率（0.987W/(m·K)）介于非梯度陶瓷化复合材料与纯CF/BPR之间的同时，仍取得20s氧乙炔烧蚀下线烧蚀率0.019mm/s、质烧蚀率0.0279g/s，以及600s丁烷喷枪背面温仅397.1℃、1400℃空气残重率32.7%的的综合优效，在碳纤维/硼酚醛可陶瓷化体系中以梯度分布而非单纯高填充的方式实现了抗烧蚀增强与高温隔热提升的兼容。

图文速览

图1 梯度陶瓷化复合材料制备工艺示意图

图2 (a)GCC截面显微组织及EDS面分布图。(b)复合材料热导率，(c)TG曲线及(d)DTG曲线

图3 (a)氧乙炔烧蚀试验装置实物照片。(b)复合材料烧蚀率，(c)宏观形貌，(d)–(f)微观形貌，(g)EDS面分布图及(h)元素含量

图4 (a)GCC的XRD图谱。(b)C1s、(c)Zr3d、(d)B1s、(e)Mo3d及(f)Si2p的高分辨XPS谱。(g)原位陶瓷化反应的ΔG曲线及(h)ΔH曲线。(i)复合材料的拉曼光谱

图5 GCC梯度方向切片显微组织及EDS面分布图：(a)最外层，(b)中间层，(c)最内层

图6 (a)丁烷喷枪烧蚀试验装置实物照片。(b)GCC与CF/BPR背面温度演变曲线及(c)热像图

图7 梯度陶瓷化复合材料抗烧蚀与高温隔热机理示意图