超高溫陶瓷改性C/C復合材料兼具C/C材料輕質高強與陶瓷相的抗氧化燒蝕性能，已成功應用于高超聲速飛行器熱防護部件(如鼻錐、機翼前緣等)。然而，超高溫陶瓷改性C/C復合材料在固體火箭發動機(SRM)環境中易發生陶瓷相沖蝕剝落的問題，難以起到抵抗高溫燃氣沖刷的作用，這嚴重限制了其在SRM喉襯中的應用。因此提升超高溫陶瓷改性C/C復合材料基體相強度使其在高溫、高壓、二相流粒子沖蝕條件下具有優異燒蝕性能是極具挑戰的。

近日，中南大學粉末冶金全國重點實驗室的熊翔教授和孫威教授團隊報道了一種金屬(W,Cu)與超高溫陶瓷改性C/C高效復合的C/C-(Hf, Zr, Ti)C-(Hf, Zr, Ti)B2-W-Cu的材料(HZTBW)，在SRM環境中展現較好的抗沖蝕性能。提出新的兩步法方案，首先在C/C坯體中預構多孔WB2骨架，隨后通過熔滲低熔點合金引發陶瓷骨架脫硼反應，促使陶瓷相原位轉化為金屬W。系統研究了HZTBW的微觀結構、形成機制、力學性能、熱物理性能與SRM環境下的沖蝕性能，分析沖蝕機制。

該工作以“Ablation behavior of C/C-(Hf, Zr, Ti)C-(Hf, Zr, Ti)B2-W-Cunozzle-throats in a solid rocket motor environment”為題發表在材料科學與工程權威期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。論文的第一作者為中南大學粉末冶金研究院博士生許俊杰，通訊作者為孫威教授，熊翔教授、曾毅教授和文青波教授為共同作者。

創新點

• 開發了一種能在C/C坯體內部構建連續且致密金屬陶瓷相的工藝，較傳統反應熔滲法，熔滲溫度可降低600℃。

• 首次在C/C坯體內部引入高體積含量的W-Cu金屬相。金屬相通過裂紋偏轉、繞過與橋聯等機制增加裂紋擴散路徑有效提升材料力學性能。

• 固體火箭發動機測試后HZTBW材料表面形成高強W骨架抵御Al2O3顆粒機械剝蝕。另外填充于W骨架中的高致密(Hf, Zr, Ti)O2與低氧擴散Hf-Zr-Ti-C-O相能有效阻隔含氧組分的滲入，降低材料熱化學燒蝕。

數據概況

圖1. HZTBW復合材料的物相組成和微觀結構。（a）–（e）HZTBW樣品截面的SEM圖，(c1)–(c6)圖c中的EPMA圖。

圖2. HZTBW金屬陶瓷的TEM分析，(a) HAADF 圖, (a1)–(a5) 圖(a)中EDS面掃圖, (b) 圖(a)中沿箭頭方向元素線掃圖. (c)–(f) HRTEM 圖，(c) Phase I, (d) Phase II, (e) Phase III, (f) Phase IV. 相應的SAED分布其中.

圖3. C/C-(Hf, Zr, Ti)C-(Hf, Zr, Ti)B2-W-Cu復合材料位移-強度曲線：(a) 抗彎，(b)壓縮

圖4. (a) HZTBW樣品在固體火箭發動機環境下的壓力-時間曲線，(b) 燒蝕前后樣品對比圖

圖5. (a) HZTBW樣品在固體火箭發動機環境燒蝕后表面形貌圖，(b), (c), (e), (f) 圖(a)中的放大圖，(d) 圖(c)中的放大圖，(g) 圖(f)中的放大圖。

結論展望

作者通過漿料浸漬-低溫反應熔滲工藝成功在C/C復合材料中制備出具有高體積金屬W,Cu的HZTBW。材料表現出一系列優異的性能，包括高致密度、高導熱性、高機械強度。值得注意的是，本文制備的金屬陶瓷改性C/C復合材料在SRM環境下展現較好的抗沖刷性能，顯著優于傳統超高溫陶瓷改性C/C復合材料。優異的抗沖蝕性能可歸因于HZTBW在燒蝕過程中W顆粒快速燒結形成高強W骨架抵御Al2O3顆粒機械剝蝕。另外填充于W骨架中的高致密(Hf, Zr, Ti)O2與低氧擴散Hf-Zr-Ti-C-O相能有效阻隔含氧組分的滲入降低材料熱化學燒蝕。這為提高陶瓷改性C/C復合材料在發動機燃氣沖蝕環境下的性能提供了新的途徑，對航天領域燃料推進系統具有重要指導意義。

本文來自公眾號“材料科學與工程”，感謝作者團隊支持。