新型前驱体浸渍裂解法制备C/C-(HfZrTi)C复合材料：一种无硅策略提升超高温抗烧蚀性能

为解决SiO2 在超高温下易挥发分解导致C/C-UHTCs（超高温陶瓷改性碳/碳复合材料）失效的问题，研究人员通过前驱体浸渍裂解（PIP）技术，以金属氯化物和糠醇为前驱体，成功制备了无硅体系的C/C-(HfZrTi)C复合材料。该材料在2.4 MW/m2 氧乙炔火焰中表现出卓越的抗烧蚀性能（质量烧蚀率-0.567 mg/s，线性烧蚀率1.433 μm/s），其机制源于液态TiO2 通过毛细作用渗透氧化物层形成氧扩散屏障，并与(HfZr)O2 结合生成致密(HfZrTi)O2 保护层。该研究为超高温应用的无硅复合材料设计提供了新思路。

　　

在超高速飞行器和航天器的热防护系统中，碳/碳复合材料（C/C）因其轻质高强的特性成为理想选择，但其在超高温氧化环境中的快速烧蚀成为致命弱点。传统解决方案是在材料中引入SiC，利用其氧化生成的SiO₂
玻璃层实现自修复保护。然而，当温度超过2000℃时，SiO₂
会剧烈挥发（蒸发速率达207 mm/s），导致防护层失效。这一瓶颈促使科学家们寻找更稳定的替代材料——钛的氧化物TiO₂
因其更高的熔沸点（熔点1840℃、沸点2900℃）和低蒸发速率（0.23 mm/s@2225℃）进入研究视野。

陕西某高校的研究团队创新性地采用前驱体浸渍裂解（PIP）技术，以金属氯化物（TiCl₄
/ZrCl₄
/HfCl₄
）和糠醇（FA）为前驱体，制备出具有梯度钛含量的C/C-(HfZrTi)C复合材料。通过调控Hf/Zr/Ti摩尔比，系统研究了钛元素在烧蚀过程中通过形成液态TiO₂
实现动态防护的机制。相关成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》上。

研究采用三大关键技术：1）前驱体浸渍裂解（PIP）工艺构建复合材料基体；2）氧乙炔火焰测试系统（2.4 MW/m²
）模拟超高温烧蚀环境；3）X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析烧蚀产物的相组成与形貌演化。

形态与物相分析
XRD显示钛的引入使(HfZrTi)C固溶体衍射峰向高角度偏移（图1b），证实Ti成功固溶。随着Ti含量增加，前驱体粘度降低，复合材料孔隙率从15.2%（HZT1）降至9.8%（HZT3）。但过量Ti（HZT3）会导致TiC偏析，破坏材料均一性。

抗烧蚀性能
在120秒氧乙炔烧蚀测试中，含钛样品（HZT2）表现最优，质量烧蚀率呈现负值（-0.567 mg/s），表明氧化增重效应超过材料损失。微观分析发现，烧蚀表面形成双层结构：外层为多孔(HfZr)O₂
骨架，内层是致密(HfZrTi)O₂
连续层。液态TiO₂
通过毛细作用填充氧化物层裂纹（图4d），并与(HfZr)O₂
反应生成(HfZr)TiO₄
固溶体，这种"砂浆-砖块"结构（氧化物颗粒为"砖"，液态TiO₂
为"砂浆"）能有效阻隔氧扩散。

烧蚀机制
钛含量存在最优阈值（HZT2的Ti/(Hf+Zr+Ti)=0.33）。过低时（HZT1）无法形成足够液态氧化物；过高时（HZT3）过量TiC偏析削弱材料致密性。烧蚀过程中，TiO₂
的独特作用体现在三方面：1）液相迁移修复氧化层缺陷；2）与(HfZr)O₂
形成高熔点(HfZrTi)O₂
；3）降低氧化物层内应力，防止剥落。

该研究突破性地证明：通过精确调控中高熵陶瓷（HfZrTi)C的组分，可实现在无硅条件下构建动态自修复防护体系。相比传统ZrC涂层，新材料在2500℃下的抗烧蚀性能提升12倍，为下一代高超音速飞行器的热防护材料设计提供了新范式。值得注意的是，这种液相辅助致密化机制可拓展至其他多元陶瓷体系，为开发极端环境用复合材料开辟了新路径。