2022年11月17日，東京理科大學宣布，由該大學工程研究生院領導的一個研究小組開發了一種基于鋯（Zr）和鈦（Ti）合金的碳纖維增強超高溫陶瓷復合材料（C/UHTCMC），它可以承受超過2000℃的超高溫，預計將用于高超音速飛機、高超音速飛機和火箭。該研究成果于2022年10月27日在線刊登在國際學術雜志《Journal of Materials Science》上。

研究細節

據東京理科大學官網介紹，該研究小組是通過熔融浸漬法合成了以Zr、Ti、C為主要成分的3種C/UHTCMCs，并在不同條件下對樣品進行了電弧風洞試驗。結果發現，隨著復合材料中Zr的含量增加，電弧風洞試驗后的厚度增加，在表面形成的氧化物的熔點也上升。

另外他們還確認，復合材料的氧化是通過在復合材料表面形成的液相向外表面流動而加速的，富含Zr的碳化物的氧化在熱力學上優先于富含Ti的碳化物，因此即使在不同的溫度條件下也能減少復合材料的降解。

在此基礎上，通過表面分析或熱力學分析對在材料表面形成的氧化物進行評價，結果發現在材料表面形成的Ti和Zr的氧化物主要是TiO₂固溶體、ZrTiO₄固溶體、ZrO₂固溶體，它們能夠抑制復合材料的進一步氧化。特別是Zr和Ti的比率為80:20時，ZrO₂固溶體和液相可維持到2000℃，而在2600℃以上，只有液相在表面形成，表面的氧化物消失。

基于這些結果，研究小組得出結論，Zr/Ti比例為80:20的復合材料最適合作為耐熱材料——即使在非常高的溫度下也具有低耗損和高抗氧化性。

結語

長期以來，碳纖維增強碳復合材料被用作航天飛機和高超音速飛機部件的輕質和耐熱材料，但其在高溫下的低抗氧化性限制了其應用——因為以5馬赫（約6200公里/小時）及以上速度飛行的飛機，會因為空氣動力加熱表面溫度高達數千攝氏度，因此有必要開發能夠承受如此高溫的新材料。

這項研究是由一家重工業制造商的咨詢引發的，研究小組表示，如果這些材料能夠作為耐熱材料投入實際使用，將有可能實現超高速客機。

粉體圈Coco編譯

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