低温反应熔体渗透法制备嵌入式结构C/C-SiC-(Zr,Hf)C-(Zr,Hf)Si2复合材料的微观结构与性能研究

针对碳纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)在极端高温下的氧化腐蚀和力学性能退化问题，研究人员通过低温反应熔体渗透(RMI)技术，成功制备出具有嵌入式结构的C/C-SiC-(Zr,Hf)C-(Zr,Hf)Si2复合材料。该材料通过树脂衍生多孔碳(RPC)介导的异相成核，形成稳定的碳化物/硅化物基体，室温与1600°C下弯曲强度分别达300.9 MPa和228.1 MPa，并在1900-2000°C氧乙炔火焰中表现出卓越的抗烧蚀性能（线性烧蚀率-0.063 μm/s），为航空航天热防护系统提供了新材料解决方案。

　　

在航空航天领域，高超音速飞行器的热防护系统面临极端高温环境的严峻挑战。碳纤维增强碳基(C/C)复合材料虽具有优异的耐热性和轻量化特性，但其在氧化环境中的快速降解成为制约应用的瓶颈。传统碳纤维增强碳化硅基(C/C-SiC)复合材料在1650°C以上会因活性氧化和挥发导致性能急剧下降，而引入超高温陶瓷(UHTCs)如碳化锆(ZrC)和碳化铪(HfC)虽能提升耐温性，但反应熔体渗透(RMI)工艺中金属熔体对碳纤维的侵蚀、相分离等问题仍待解决。

针对这一系列难题，中国的研究团队创新性地采用树脂衍生多孔碳(RPC)改性预制体，通过低温RMI技术成功制备出具有嵌入式结构的C/C-SiC-(Zr,Hf)C-(Zr,Hf)Si₂复合材料。该研究发表在《Journal of Alloys and Compounds》上，通过系统分析微观结构演化、力学性能和循环烧蚀行为，为开发新一代耐极端环境复合材料提供了重要参考。

研究采用T700-PAN基碳纤维预制体，通过化学气相渗透(CVI)制备多孔C/C预制体，并引入RPC构建三维互连网络结构。低温RMI工艺中，RPC优先与熔体反应产生热力学驱动力，实现了1855°C以下的低温快速致密化。结合X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分析材料相组成与形貌，通过三点弯曲测试评估室温至1600°C力学性能，并采用氧乙炔火焰进行3次累计600秒的循环烧蚀测试。

微观结构与组成分析显示，RPC的引入有效填充了预制体大孔，形成的热解碳(PyC)界面层保护了碳纤维完整性。熔体与RPC反应生成的(Zr,Hf)C和(Zr,Hf)Si₂相均匀嵌入SiC基体中，构成独特的嵌入式结构。力学性能测试表明，材料室温弯曲强度达300.9±12.0 MPa，1600°C下仍保持228.1±7.3 MPa，且弹性模量稳定，归因于完整纤维增强与嵌入式基体的协同作用。循环烧蚀性能方面，在1900-2000°C火焰中，材料表现出负线性烧蚀率(-0.063 μm/s)和低质量烧蚀率(0.352 mg/s)，源于(Zr,Hf)O₂耐火层与自修复Si-Zr-Hf-O玻璃相的协同防护机制。

研究结论指出，RPC介导的低温RMI工艺实现了纤维无损致密化和均匀相分布，嵌入式结构促使形成双相保护层：(1)热稳定性优异的(Zr,Hf)O₂晶体层抵抗机械冲刷；(2)黏度可调的Si-Zr-Hf-O玻璃相填补缺陷。这种结构设计使复合材料兼具高力学性能和抗烧蚀能力，解决了传统CFRCMCs在超高温下的相分离和纤维侵蚀难题。该工作为开发适用于长时间极端热环境的热结构材料提供了新思路，对推动高超音速飞行器热防护系统发展具有重要意义。