碳纤维编织增强SiBCN聚合物-非晶陶瓷梯度热防护复合材料的剪切烧蚀与隔热性能研究

为解决高超声速飞行器热防护材料在极端热流和剪切烧蚀环境下的性能瓶颈，研究人员创新性地制备了Cf /SiBCN聚合物-非晶陶瓷梯度复合材料。通过30°~90°多角度剪切烧蚀测试，证实该材料在2100℃高温下仍保持无裂纹、低质量/线性烧蚀率（150秒持续烧蚀），且背温低于70℃，展现出优异的抗剪切烧蚀、抗变形和隔热性能，为航天器热防护系统（TPS）提供了新型一体化解决方案。

　　

随着高超声速飞行器向更高速度和更强机动性发展，其热防护系统（TPS）面临前所未有的挑战。极端热流（>2000℃）和复杂剪切烧蚀环境导致传统材料如酚醛树脂复合材料、C/C或C/SiC等出现氧化失效、分层剥落等问题。尤其在高机动飞行中，材料需同时承受高温氧化、机械剪切和热震冲击，而现有材料的抗烧蚀变形能力与可重复使用性难以兼顾。这一“热-力耦合”难题成为制约高超声速技术发展的关键瓶颈之一。

针对这一挑战，中国的研究团队创新性地设计了一种碳纤维编织增强SiBCN聚合物-非晶陶瓷梯度热防护复合材料。该研究通过独特的梯度热解工艺，将聚合物衍生陶瓷（PDC）技术与碳纤维预制体结合，构建了密度（1.8→1.2 g/cm³
）和孔隙率（5%→12%）连续变化的梯度结构。论文发表在《Journal of Alloys and Compounds》上，揭示了该材料在2100℃极端环境下仍保持结构完整性的突破性表现。

研究团队采用三项核心技术：1）基于感应加热的梯度热解工艺，实现SiBCN前驱体从聚合物到非晶陶瓷的连续转化；2）碳纤维立体缝合预制体增强技术，通过2.5D编织结构提升抗分层能力；3）多角度（30°~90°）氧乙炔剪切烧蚀测试系统，模拟实际飞行中的气动热-剪切耦合环境。

材料制备与表征
通过浸渍-固化-交联梯度热解工艺（图示），将液态SiBCN前驱体渗透至碳纤维预制体，在50℃预处理后分段升温至1000-1200K形成非晶陶瓷相。XRD分析证实材料具有Si-B-N/C-N三维网络结构，其非晶化温度高达1600℃。

剪切烧蚀性能
在150秒持续烧蚀测试中，30°斜角烧蚀下的质量损失率仅为传统C/SiC材料的1/5，且表面无裂纹。90°垂直烧蚀时，线性烧蚀速率<0.01 mm/s，显著优于NASA的HEEET材料。

隔热机制
梯度结构形成“高密度抗烧蚀层→低导热过渡层”体系，使2100℃表面高温下，40mm厚度材料的背温在100秒内稳定低于70℃，热导率较均质材料降低40%。

微观演化分析
烧蚀表面生成的SiO₂
/BN保护层（厚度约20μm）有效阻隔氧扩散，非晶相在高温下转化为Si₃
N₄
等耐高温相，是材料抗结晶化的关键。

该研究实现了三大突破：1）首次将PDC技术与梯度设计结合，解决传统材料“高强则脆、轻质易蚀”的矛盾；2）揭示非晶陶瓷相在剪切热流下的演化规律，提出“动态氧化层-梯度基体”协同防护机制；3）建立从实验室制备到工程应用的测试方法体系。相比NASA的HEEET材料，该材料制备能耗降低60%，且可实现大尺寸构件一体化成型，为可重复使用高超声速飞行器的热防护系统提供了变革性解决方案。研究团队特别指出，该材料的宽温域稳定性（-180~2100℃）使其在深空探测装备中同样具有应用潜力。