梯度复合材料局部过滤改性技术：实现轻量化与强化热防护的新策略

为解决航空航天热防护系统中材料高温氧化/烧蚀问题，中国科学院化学研究所团队开发了局部过滤改性(LFM)技术，成功制备出C/C-(Ti0.2 Zr0.2 Hf0.2 Nb0.2 Ta0.2 )C梯度复合材料(GC)。该材料密度降低37%，烧蚀率较均质材料下降75%，通过高熵陶瓷(HECs)氧化物自修复效应和梯度结构设计，实现了热应力调控与长效热防护，为新一代热防护系统提供创新解决方案。

　　

在航空航天领域，热防护系统面临极端环境挑战——当飞行器以高超音速穿越大气层时，表面温度可骤升至2000°C以上，而传统碳/碳(C/C)复合材料在450°C以上便易氧化失效。更棘手的是，热防护部件不同区域承受着截然不同的热负荷：中心烧蚀区需要超高温陶瓷(UHTCs)的强抗烧蚀性，而传力区则要求材料兼具轻量化与高导热特性。现有梯度材料制备技术如反应熔渗(RMI)易损伤纤维，化学液相沉积(CLVD)会产生表面结壳缺陷，难以满足精确调控需求。

针对这一系列难题，中国科学院化学研究所团队创新性提出局部过滤改性(LFM)技术，通过定制化模具设计和过滤循环控制，成功制备出具有连续梯度结构的C/C-(Ti_0.2
Zr_0.2
Hf_0.2
Nb_0.2
Ta_0.2
)C复合材料(GC)。这项突破性研究发表在《Journal of Materials Science》上，首次将高熵陶瓷(HECs)的组分优势与梯度结构设计相结合，实现了材料性能的精准空间调控。

研究团队采用三大关键技术：1) 基于T300纤维编织预制体的C/C多孔基体制备；2) 通过PHECs先驱体溶液的梯度渗透实现(Ti_0.2
Zr_0.2
Hf_0.2
Nb_0.2
Ta_0.2
)C陶瓷的局部沉积；3) 采用X射线断层扫描(XCT)进行三维结构表征验证梯度分布。

材料合成与结构表征
通过交替堆叠0°/90°编织碳布并针刺固定，制备出密度1.1 g/cm^?3
的C/C多孔基体。Micro-XRD分析显示，从样品中心到边缘，碳峰强度逐渐增强而(Ti_0.2
Zr_0.2
Hf_0.2
Nb_0.2
Ta_0.2
)C衍射峰逐渐减弱，证实了陶瓷成分的梯度分布。背散射电子图像显示中心区陶瓷含量达58 vol%，过渡区降至32 vol%，边缘区仅15 vol%。

抗烧蚀性能突破
在120秒氧乙炔烧蚀测试中，梯度复合材料(GC)的线性烧蚀率仅1.43 μm/s，较均质材料降低75%。关键机制在于：1) 梯度结构有效分散热积累，中心区形成的(Ti,Zr,Hf,Nb,Ta)-O多元氧化物层具有自修复功能；2) LFM技术使陶瓷颗粒平均尺寸减小66%，致密化程度提高；3) 轴向热膨胀系数(CTE)梯度设计缓解了热应力。

热物理性能优化
梯度设计使材料整体密度降低37%，同时保持优异的热导率(中心区18.6 W/m·K)。热震测试表明，梯度结构能有效抑制裂纹扩展，经20次冷热循环(室温至1500°C)后仍保持结构完整性。

这项研究开创性地将LFM技术与高熵陶瓷设计理念相结合，解决了传统梯度材料制备中的纤维损伤和成分控制难题。所开发的GC复合材料在保持轻量化(密度<1.7 g/cm^?3
)的同时，烧蚀性能优于现有UHTCs材料，为可重复使用飞行器的热防护系统提供了新范式。研究揭示的"成分梯度-微观结构-性能响应"关联规律，对开发新一代多功能梯度材料具有重要指导意义。