熱防護材料可吸收或消耗氣動熱，從而保證高超聲速飛行器的安全。基于航天技術的快速發展，傳統的熱防護材料已經難以滿足高馬赫飛行的要求，尤其是隨著深空探測和臨近空間飛行器的發展，長時和可重復性已成為對熱防護材料新的重要需求。

作為MAB相陶瓷的典型代表，MoAlB陶瓷具有優異的綜合性能，包括高的電導率、高的維氏硬度、高的彎曲強度，以及高的斷裂韌性。最重要的是，MoAlB陶瓷表現出優異的抗氧化和抗燒蝕性。西南交通大學高性能陶瓷研究實驗室的胡春峰教授團隊長期從事MAX及MAB相等先進陶瓷的研究，擁有各類陶瓷的制備、表征和性能考核的全套設備與技術。近期，團隊采用電火花離子燒結（SPS）方法，在1200^oC快速制備了高純度的MoAlB致密陶瓷塊體，并使用等離子火焰對其超高溫燒蝕性能和長時循環燒蝕性能及機理進行了深入探索，確認了MoAlB陶瓷在超高溫環境下長時、重復循環使用的重要應用價值。

(a) MoAlB 和 (b) MoB 的晶體結構圖

目前該團隊所研發的MoAlB陶瓷已經完成粉體的中試制備工藝開發，以下為MoAlB陶瓷在各類測試條件下的性能及燒蝕機理。

1.1670-2550°C的燒蝕性能及燒蝕機理

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.04.039

圖1. 等離子火焰燒蝕后MoAlB陶瓷的宏觀形貌：S1：1670^oC；S2：2220^oC；S3：2400^oC；S4：2550^oC

表1.燒蝕考核參數和燒蝕率

圖1展示了不同燒蝕溫度下MoAlB陶瓷的表面形貌。在1670℃燒蝕溫度下MoAlB陶瓷保持完整的結構，沒有明顯的燒蝕坑和宏觀裂紋存在；在約2220℃時樣品的燒蝕表面變的粗糙，在2400℃時樣品表面出現了明顯的燒蝕坑，在約2550°C時樣品被完全燒穿。在1670°C燒蝕30 s后，線性燒蝕率（R_l）和質量燒蝕率（R_m）分別為0 μm/s和-0.581 mg/s，如表1所示。

圖2. MoAlB陶瓷的燒蝕模型示意圖：（a）低溫氧化階段；（b）熱應力開裂階段；（c）等離子流劇烈侵蝕熔融氧化鋁階段

圖2展示了MoAlB陶瓷的燒蝕機理示意圖。在1670°C時陶瓷表面形成了多孔的Al₂O₃層，并且伴有MoO₂、MoO₃和B₂O₃的揮發；當溫度升高到2220°C時陶瓷表面的溫度超過了Al₂O₃的熔點（2053°C），此時Al₂O₃開始熔化，導致陶瓷的燒蝕面變的粗糙；在2400°C時熔融的Al₂O₃能夠保護基體，也能起到封閉裂紋與孔隙的作用。因此，高溫氧化、熱損傷、化學和機械侵蝕是MoAlB陶瓷的氧-等離子燒蝕的主要機理。

2.2000°C長時循環燒蝕性能及燒蝕機理

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2024.01.069

圖3. MoAlB陶瓷在2000^oC循環燒蝕后的宏觀照片：（a）1次循環；（b）3次循環；（c）5次循環；（d）6次循環（每次循環時間為300 s)

圖4. 循環燒蝕MoAlB陶瓷的線性和質量燒蝕率

圖3為MoAlB陶瓷在2000^oC循環燒蝕的形貌圖。在約2000^oC下對MoAlB陶瓷進行循環燒蝕測試時，設定每次循環為300 s, 當循環至第六次時樣品被火焰貫穿，總燒蝕時間達到1800 s。在第1-3次循環中R_l和R_m均接近零，如圖4所示；說明在900 s內MoAlB陶瓷表現出近非燒蝕行為。因此，可以判定MoAlB陶瓷能夠在2000°C承受5次循環燒蝕暴露7500 s，具有出色的可重復使用性能。

圖5. MoAlB陶瓷在等離子體火焰中（a）前期、（b）中期和（c）后期的循環燒蝕機制示意圖

根據循環燒蝕的過程以及MoAlB陶瓷的結構和形貌的變化，可以將燒蝕過程分為前期、中期、后期，如圖5所示。在循環燒蝕的初期（1-2個循環），陶瓷表面主要以MoAlB陶瓷的氧化分解和高速等離子火焰的剪切損傷為主；在循環燒蝕的中期（3-4個循環），氧化鋁保護層在火焰的切削力作用下被逐漸消耗；在循環燒蝕的后期（5-6個循環），MoAlB陶瓷被持續消耗，直至被火焰貫穿。

來源：西南交通大學

編輯：張浩 博士生

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