原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

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Jin G, Liang B, Zhao R, et al. Exceptional long-duration ablation tolerance over 2500 °C of C/ZrC–SiC–Cu₃Si–Cu interpenetrating composites. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221334

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221334

ResearchGate：Exceptional long-duration ablation tolerance over 2500 °C of C/ZrC–SiC–Cu 3 Si–Cu interpenetrating composites

基金支持：

本研究获得国家自然科学基金（Nos. 52532003, 52402095, 52472053）、中国博士后科学基金（No. 2025T180053）、辽宁省兴辽英才计划（No. XLYC2402015）以及辽宁省自然科学基金（No. 2025–BS–0179）的联合资助。

一、导读

面向高速飞行器超高温热防护需求，2500 ℃长时抗氧化烧蚀材料是行业技术难题。在众多热防护材料种，被动防热材料（如C/ZrC-SiC）超高温烧蚀率过大；主动防热材料（如钨渗铜）密度大、低温脆性大；陶瓷-金属基复合材料（传统方法制备）因多相基体分布不均且不连通导致超高温服役时间短，均难以满足有氧环境下2500 ℃以上的长时烧蚀。中国科学院金属研究所汤素芳课题组团队采用碳气凝胶陶瓷-金属化技术（Zr-Si-Cu 三元合金与碳气凝胶一步反应熔渗），研制出新型C/ZrC–SiC–Cu₃Si–Cu 互穿复合材料。该材料凭借陶瓷抗氧化烧蚀与金属发汗冷却两者的协同效应，在 2557~2600 ℃下经 1200 s 烧蚀后实现近零烧蚀，同时兼具良好的强度与韧性，为极端热力氧耦合工况下的结构型热防护材料提供了全新的设计思路与工程解决方案。

二、研究背景

碳纤维增强超高温陶瓷复合材料（C/UHTCs）凭借低密度、高强度与优异的抗烧蚀性能，成为航天飞行器热防护结构的关键候选材料。其中，C/ZrC–SiC体系因出色的氧化防护效果得到广泛关注：ZrC 氧化后生成熔点高达2700 ℃的稳定 ZrO₂骨架，SiC 氧化形成低渗透特性的 SiO₂玻璃相，二者协同可构筑致密的 Zr–Si–O 防护层，进而赋予材料优异抗烧蚀能力。然而，该体系存在明显性能短板，当烧蚀温度升高、服役时长延长时，表面 Zr–Si–O 保护层会加速挥发，底层 ZrO₂骨架也易发生机械剥蚀，材料抗烧蚀性能大幅衰减。2500 ℃以上高温长时氧化烧蚀已成为制约该类材料应用的核心难题。

发汗冷却是提升热防护材料耐高温极限的主流技术路径，金属铜因熔化、汽化潜热高，是理想的相变冷却介质。此前，国内外学者尝试将Cu、Zr₂Cu 等金属相引入C/ZrC–SiC体系，但大多采用前驱体浸渍裂解、化学气相渗透、多步熔渗等复合工艺，不仅工序繁琐、制备周期长、生产成本高，还易造成金属相分布不均，无法形成连续的发汗冷却通道，最终导致改性效果大打折扣。此外，现有铜改性C/SiC复合材料在2500 ℃以上环境中，会出现SiO₂玻璃相剧烈挥发、SiC发生活性氧化等问题，服役稳定性难以保障。

针对上述痛点，本团队在前期铜改性C/SiC复合材料研究的基础上，以碳纤维增强碳气凝胶（C/CA）作为预制体，采用碳气凝胶陶瓷-金属化技术（Zr-Si-Cu 三元合金与碳气凝胶一步反应熔渗），研制出新型C/ZrC–SiC–Cu₃Si–Cu 互穿复合材料，同步优化了制备工艺、微观结构、抗烧蚀性能与力学性能，成功突破2500 ℃级长时有氧烧蚀技术壁垒。

三、文章亮点

（1）采用碳气凝胶陶瓷-金属化一步反应熔渗工艺，实现了短周期低成本制备，所得复合材料孔隙率仅3%，金属与陶瓷相均匀交织形成双连续网络结构。

（2）该材料依靠“陶瓷层阻氧抗冲刷+金属发汗散热”的协同作用，实现了2500 ℃+、1200 s的近零烧蚀，抗烧蚀性能显著优于同类材料。

（3）该材料具有良好的强韧性，损伤容限与工程可靠性表现突出。

四、研究结果及结论

（一）材料制备与结构

本研究以碳纤维针刺织物为增强相，先制备带热解碳（PyC）界面层的C/CA熔渗预制体，再于1500~1600 ℃真空环境下完成Zr-Si-Cu 三元合金的反应熔渗，成功制备出C/ZrC–SiC–Cu₃Si–Cu复合材料。该复合材料由三种不同的交替层组成：0°无纬层、短切纤维网和90°无纬层，每层都具有不同的碳纤维和基体含量，整体组织致密、无明显大尺寸孔洞（图1a）；PyC界面层可有效隔绝合金熔体侵蚀（图1b），最大限度保留碳纤维结构完整性，且反应熔渗处理后碳气凝胶基体基本完全陶瓷化，无明显金属残余；深灰色基体相为SiC，浅色区域主要包含ZrC、Cu、Cu₃Si及少量Cu₄Si₆Zr₃，各物相均匀弥散且相互连通，形成了结构均匀、连续稳定的互穿网络（图1c~e）。材料密度达3.0 g·cm⁻³、开孔孔隙率仅3%，相较于同类改性复合材料（孔隙率为4.4~12.5%的），其致密化性能优势突出（表1）。C/ZrC–SiC–Cu₃Si–Cu独特的陶瓷-金属双连续互穿网络结构和高的致密度为复合材料在超高温烧蚀工况下实现高效的主被动协同热防护提供了关键的结构支撑。

图1. C/ZrC–SiC–Cu₃Si–Cu复合材料的形貌与成分。(a–c)抛光横截面的SEM图像；(d) (c)中基体的EDS mappings；(e)XRD图谱。

表1已报道的C/ZrC–SiC–M复合材料的制备方法、渗透相以及开口孔隙率

（二）力学性能与增韧机制

采用三点弯曲、单边缺口梁、单纤维顶出、拉曼光谱等多种表征测试方法，系统探究了该复合材料的力学性能与断裂行为。如图2所示，材料抗弯强度可达 194 ± 7 MPa，断裂韧性为 11.8 ± 1.2 MPa・m¹^/²，断裂功达到 5315 ± 1232 J・m⁻²，其综合力学性能超过绝大多数采用反应熔渗工艺制备的 C/ZrC–SiC复合材料。在受力断裂过程中，材料表现出优良的假塑性断裂特征，载荷曲线无急剧跌落现象（图2b）。基体产生裂纹后，裂纹会在纤维与基体界面处发生偏转、分叉，同时伴随纤维界面脱粘、拔出以及纤维桥接等行为，持续耗散断裂能量，从根本上改善了传统陶瓷基复合材料脆性断裂的短板（图2c-h）。材料优异的强韧性源于多重增韧机制的协同作用（图3a-h）：热解碳（PyC）界面层可阻隔合金熔体侵蚀，完整保留碳纤维的承载能力；适中地界面剪切强度（137 ± 2.6 MPa）较好地平衡了界面脱粘与纤维拔出的增韧效果；金属相能够实现裂纹桥接、钝化裂纹尖端，多元陶瓷相则可引导裂纹多次偏转，进而提升材料的损伤容限与工程应用可靠性。

图2. (a) C/ZrC–SiC–CuSi–Cu的弯曲应力-应变曲线；(b) SENB试验过程中的载荷-位移曲线；(c–e)典型弯曲断口形貌的SEM图像；(f–h) SENB试验后裂纹扩展剖面的SEM图像。

图3.抛光表面形貌的SEM图像显示维氏压痕导致的裂纹扩展情况：(a)具有PyC界面的纤维（b–e）基体；(f)基体中裂纹扩展示意图；(g)纤维和SiC基体的拉曼光谱；(h)残余应力；(i)横截面的拉曼面扫描。

（三）抗烧蚀性能与防护机理

采用热流密度为 3.18 MW·m⁻² 的氧乙炔火焰开展600 s、900 s、1200 s长时烧蚀试验研究，并以传统 C/ZrC–SiC 复合材料作为对照。结果显示，对照组表面温度达到 2557~2600 ℃，而C/ZrC–SiC–CuSi–Cu可稳定维持在 2300 ℃左右（图4a）；其烧蚀速率随时长增加小幅上升，600 s、1200 s 对应的质量烧蚀率与线烧蚀率分别低至 0.0218 mg·cm⁻²·s⁻¹、0.0867 μm·s⁻¹ 和 0.0604 mg·cm⁻²·s⁻¹、0.1808 μm·s⁻¹，长时抗烧蚀性能明显优于同类材料（图4b，4d）。

图4. (a) C/ZrC–SiC–Cu₃Si–Cu复合材料在长期烧蚀过程中的表面温度；(b)不同时间的烧蚀率；(c)烧蚀600、900和1200 s后的宏观特征；(d)该复合材料与其他已报道材料的烧蚀率对比 [12-14,17-19,50，51]。

（四）综合结论

本研究采用碳气凝胶陶瓷-金属化一步反应熔渗工艺制备出致密度高、物相分布均匀的 C/ZrC–SiC–Cu₃Si–Cu 互穿复合材料。该工艺制备短周期、低成本，操作简便，可重复性好，具备良好的工程应用前景。该材料不仅突破了 2500 ℃长时有氧烧蚀技术瓶颈，在 1200 s 极端氧化环境下实现近零烧蚀，还拥有良好的强度、韧性与抗损伤容限，攻克了传统耐高温材料耐热性与力学性能无法兼顾的难题。本研究提出的设计思路与制备技术，可为新一代超高温防热材料的研发提供了全新参考范式。

五、作者及研究团队简介

晋国梁（第一作者），中国科学技术大学材料科学与工程学院（中国科学院金属研究所）在读博士研究生，主要研究方向为碳纤维增强超高温陶瓷-金属复合材料。

汤素芳（通讯作者），中国科学院金属研究所研究员，师昌绪先进材料创新中心副主任、特种复合材料研究部主任。主要从事陶瓷基复合材料、碳基复合材料研究，主持国家自然科学基金委重点基金、联合重点基金等多项。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

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