通过主动冷却技术提高Cf/HfB2-SiC复合材料的氧化和烧蚀抗性

《Journal of Materials Science & Technology》：Enhancing the oxidation and ablation resistance of C f/HfB 2-SiC composite via active cooling

该研究提出通过微电火花加工在Cf/HfB2-SiC复合材料中制造定向冷却通道，显著降低表面温度达500°C以上，并保持结构完整性，为极端环境热防护材料开发提供新方法。

　　

摘要

随着高超音速飞行器飞行速度的不断提高，主动冷却技术需要取得突破，以确保关键热结构（如鼻锥和迎风表面）的抗氧化和抗烧蚀性能。为了实现这一目标，我们首次在C_f/HfB₂-SiC复合材料中引入了排列有序的主动冷却通道，从而在高热流测试条件下显著降低了该复合材料的温度。有趣的是，随着热流的增加，温度降低的幅度呈现出显著上升的趋势。具体来说，在4 MW/m²的热流条件下，C_f/HfB₂-SiC复合材料的表面温度从超过2000°C降至1500°C，实现了超过500°C的温度降低。此外，在2–4 MW/m²的热流条件下，该复合材料在300秒的测试时间内保持了优异的结构完整性。这些结果不仅突显了排列通道主动冷却策略的显著优势，也为极端环境应用中陶瓷基复合材料和结构的发展提供了新的途径。

引言

随着航空航天技术在推进系统、空气动力学设计和飞行器优化方面的快速发展，材料在极端热载荷下的失效已成为热防护材料面临的关键挑战[1]。传统的被动热防护系统由于其散热能力不足而在停滞点、机翼前缘和燃烧室等部位表现不佳[[2], [3], [4]]。与此同时，主动冷却策略因其显著改善的热传递性能和均匀的薄膜覆盖能力而成为有前景的替代方案，其冷却速率可达6×10⁷至1.4×10⁹ W/m²[5,6]。尽管具有这些优势，主动冷却系统的运行机制和可靠性仍不完全清楚，这对其实际应用构成了重大挑战[7]。

常用的主动冷却系统采用通过传统颗粒烧结或烧结金属网制造的各向同性多孔介质[[8], [9], [10]]。然而，这类各向同性结构在极端热载荷下存在固有的局限性。例如，当使用碳氢化合物燃料作为冷却剂且温度超过1400 K时，这些燃料的分解会产生碳质沉积物，严重限制冷却剂流动并导致局部堵塞[[11], [12], [13]]。在长时间和复杂的高温环境下，这些堵塞会增加冷却剂流动阻力，降低冷却性能并危及结构完整性[[14], [15], [16]]。

相比之下，具有定向通道的排列结构通过更有效的冷却剂流动管理显著降低了堵塞的可能性[17]。例如，赵等人[18]指出，实施定向冷却孔结构不仅减少了约8.5%的热输入，还降低了燃料消耗。同样，江等人[19]通过视觉评估系统地讨论了定向冷却通道的优越冷却性能。此外，超高温陶瓷基复合材料（UHTCMCs）因其出色的热稳定性和良好的抗氧化性而越来越多地应用于航空航天部件，如火箭发动机室、推进器和鼻锥[[20], [21], [22], [23]]。然而，尽管与传统C_f/SiC复合材料相比，UHTCMCs具有更好的热稳定性和化学稳定性，但将其与定向冷却结构结合的研究仍几乎未被探索。

为了填补这一研究空白，本研究采用微电火花加工（micro-EDM）方法在高度致密的C_f/HfB₂-SiC复合材料中构建了定向冷却通道。该方法旨在通过精确控制高热流条件下的冷却剂分布来提高主动冷却的可靠性。排列的通道结构利用了C_f/HfB₂-SiC复合材料的固有优势，在实现显著表面温度降低的同时保持结构完整性并防止热堵塞。特别是，对高热流暴露后不同区域氧化行为的详细分析为主动冷却机制提供了新的见解，最终有助于设计出更有效的极端航空航天环境热防护材料。

部分摘录

制备具有排列通道的高密度C_f/HfB₂-SiC复合材料

为了解决极端条件下孔隙率控制和结构完整性的问题，采用定制的粒径分级策略和优化的“固-液”混合工艺制备了含有10体积%碳纤维的C_f/HfB₂-SiC复合材料。所用HfB₂陶瓷粉末来自北京HWRK Chem有限公司，平均粒径约为2 μm，纯度超过99.5%，作为UHTC基体材料。同时使用了乙醇和聚乙烯亚胺作为分散剂

定向通道C_f/HfB₂-SiC复合材料的制备

C_f/HfB₂-SiC复合材料采用创新的“固-液”混合策略制备，该策略结合了粒径分级和压力辅助渗透技术以实现更高的堆积密度。通过高压渗透碳化硅前驱体并随后进行循环LTWPS处理引入SiC。理论计算表明，加入10体积%的碳纤维（表面涂覆3体积%的PyC界面层）可使得HfB₂相的负载量达到较高水平（约45.8%）

结论

本研究通过微电火花加工（micro-EDM）技术首次开发了具有排列通道的C_f/HfB₂-SiC复合材料，在高热载荷（≤ 4 MW/m^{2_f/HfB₂-SiC复合材料在热流增加时的抗氧化和抗烧蚀性能}

CRediT作者贡献声明

Geng Xinhui：撰写原始草稿、进行正式分析、方法论研究、软件开发、数据整理。Hu Ping：方法论研究、资金获取、撰写与编辑、概念构思。Wang Fei：研究工作、撰写与编辑。Wang Wuju：撰写与编辑。Xun Liancai：撰写与编辑、正式分析。Yuan Chengfan：正式分析、研究工作。Zhang Xinghong：概念构思、撰写与编辑、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金重点项目（项目编号：52293372）、国家自然科学基金重点计划（项目编号：52032003）、国家自然科学基金（项目编号：52372080）以及国家自然科学基金（项目编号：52472091）的财政支持。