Cr2AlC陶瓷在1600℃氮等离子火焰中的循环烧蚀机制

《Extreme Materials》：Cyclic ablation mechanisms of Cr 2AlC ceramics in nitrogen plasma flame at 1600 ℃

Cr?AlC陶瓷在氮等离子火焰1600℃循环烧蚀中保持结构完整，前三循环线性烧蚀率0.050μm/s，质量烧蚀率0.048mg/s，显著优于Ti?AlC和Ti?SiC?。表面形成(A,C)?O?氧化层，Al?Cr?分解物提供保护，随循环增加Cr?AlC和Al?Cr?表面层逐渐耗尽，第四循环失效。研究揭示了MAX相陶瓷氧化保护机制及循环应用潜力。

　　Cr₂AlC陶瓷因其优异的抗氧化性和抗烧蚀性，被视为一种具有广泛应用前景的热防护材料。在极端环境下，这种材料的可回收性是其重要优势之一，因此本研究首次系统探讨了Cr₂AlC陶瓷在氮气等离子火焰下，1600℃条件下的循环烧蚀性能。通过设定每个循环时间为三分钟，共进行四次循环实验，研究了其在多次烧蚀过程中的结构稳定性和烧蚀速率变化。实验结果表明，Cr₂AlC陶瓷在三次循环后仍能保持结构完整性，且其线烧蚀速率和质量烧蚀速率分别为0.050 μm/s和0.048 mg/s，显示出较低的烧蚀性能。这一特性使其成为一种潜在的可重复使用的热防护材料。

热防护系统（TPS）在航空航天领域中起着至关重要的作用，尤其是在航天器返回舱和导弹尖端等高温高能环境中。目前，热防护材料主要分为非烧蚀型（NA-TPS）和烧蚀型（A-TPS）两大类。非烧蚀型材料通常包括高熔点和高比热容的金属氧化物和碳化物，如铪氧化物（HfO₂）、铪碳化物（HfC）和钽碳化物（TaC）等。这些材料虽然具有良好的耐高温性能，但其成本较高，限制了其在某些应用场景中的使用。相比之下，烧蚀型材料在高温和化学腐蚀环境中表现更为优异，但它们在成本、抗氧化能力和可重复使用性方面仍存在一定的局限性。因此，寻找一种低成本、高抗氧化性和可重复使用的烧蚀型热防护材料成为当前研究的重点。

MAX相材料是一类新型的三元层状化合物，最早由Nowotny等人提出。这类材料通常由金属（M）、主族元素（A）和碳、氮或硼（X）组成，具有独特的物理和化学性能。Barsoum等人通过热压法制备了Ti₃SiC₂ MAX相陶瓷，并发现其具有高导热性、高弯曲强度、高断裂韧性以及良好的可加工性等特性。这些性能使得MAX相材料在高温防护领域备受关注。研究发现，MAX相陶瓷在高温氧化环境下会形成一层氧化物保护层，从而有效防止材料内部结构的进一步氧化和破坏。例如，Song等人对Ti₂AlC MAX相陶瓷在氧乙炔火焰下的烧蚀性能进行了研究，发现其线烧蚀速率和质量烧蚀速率分别为0.08 μm/s和-180 μg/s。这表明MAX相材料在烧蚀过程中能够形成稳定的氧化物保护层，从而提升其热防护能力。

在本研究中，Cr₂AlC陶瓷被选为研究对象，因其在高温环境下表现出良好的烧蚀性能。通过模拟航天器返回舱在大气层中经历的高温等离子环境，实验评估了Cr₂AlC陶瓷在氮气等离子火焰下的循环烧蚀行为。实验中采用自设计的等离子烧蚀测试系统，结合水冷和红外测温技术，对材料表面的烧蚀温度进行了精确测量。结果表明，在三次循环烧蚀后，Cr₂AlC陶瓷仍能保持结构稳定，且其烧蚀速率显著低于Ti₂AlC和Ti₃SiC₂陶瓷。这说明Cr₂AlC陶瓷在高温烧蚀环境中具有较强的耐受性，能够在多次使用后仍保持良好的性能。

为了进一步分析Cr₂AlC陶瓷的烧蚀机制，研究者对烧蚀后的材料表面和近表面区域进行了X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）联合分析。XRD结果表明，随着烧蚀循环次数的增加，Cr₂AlC的衍射峰逐渐减弱，而氧化物的衍射峰则显著增强。这说明Cr₂AlC在烧蚀过程中逐渐分解，并形成一层氧化物保护层。在烧蚀初期，Cr₂AlC分解为Cr₃C₂和Al₈Cr₅，随后这些产物在氧化环境下进一步反应生成CrO₃、Cr₂O₃、Al₂O₃和CO₂。其中，CO₂和CrO₃由于其较低的沸点，会在烧蚀过程中以气态形式逸出，从而缓冲材料受到的热冲击。

SEM图像结合能谱分析（EDS）的结果显示，烧蚀后材料的近表面区域逐渐出现孔隙，并在第四次循环时出现明显的结构破坏。这一现象表明，随着烧蚀次数的增加，材料表面的氧化物保护层逐渐被消耗，导致其烧蚀速率加快。然而，在三次循环后，材料仍能保持较低的烧蚀速率，说明其在一定次数的烧蚀后仍具有良好的耐久性。此外，烧蚀后的表面氧化层主要由（Cr,Al）₂O₃组成，且随着循环次数的增加，其晶体结构发生变化，形成了不同的氧化物形态。这一变化与材料表面元素的耗尽密切相关，尤其是铝元素的减少导致铬元素在表面富集，从而形成了具有独特光学性质的“红宝石”状氧化层。

研究还发现，在烧蚀过程中，Cr₂AlC陶瓷的烧蚀机制与其结构变化密切相关。在首次烧蚀后，材料表面形成了氧化物保护层，有效降低了烧蚀速率。而在第二次和第三次烧蚀过程中，表面氧化层逐渐被破坏，导致Al₈Cr₅和Cr₂AlC的进一步分解和氧化。这一过程使得材料表面的铬含量显著增加，进而形成了更稳定的氧化物层。然而，当第四次循环开始时，由于表面材料的耗尽，氧化物保护层无法再提供足够的缓冲作用，导致烧蚀速率急剧上升，材料开始出现结构性失效。

综上所述，Cr₂AlC陶瓷在高温等离子火焰下的循环烧蚀性能表现出显著的优势。其能够在多次烧蚀后保持结构稳定，并通过形成氧化物保护层有效降低烧蚀速率。然而，随着烧蚀次数的增加，材料表面的铝元素逐渐耗尽，导致氧化物保护层失效，进而影响其长期使用性能。因此，本研究不仅揭示了Cr₂AlC陶瓷的烧蚀机制，还为其在可重复使用航天器热防护系统中的应用提供了理论依据和实验支持。这种材料的低成本、高可加工性和良好的烧蚀性能，使其在航天器返回舱、可重复使用火箭和空间飞行器等应用领域展现出广阔的发展前景。未来的研究可以进一步探索如何优化其烧蚀性能，延长其使用寿命，以更好地满足航空航天领域对高性能热防护材料的需求。