陶瓷基热结构材料：为宇宙飞行器打造“防火衣”

陶瓷基热结构材料：为宇宙飞行器打造“防火衣”

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澎湃

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来源

1.

https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_26340807

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https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_28475535

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http://www.tr-baast.com/Tapplication/1151.html

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https://www.ccia.xin/zhuantibaogao/2389.html

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https://cn.mascera-tec.com/news/ceramic-materials-in-military-applications

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https://www.chinaerospace.com/article/52966

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https://www.ccia.xin/zhuantibaogao/2088.html

在人类探索宇宙的征途中，宇宙飞行器面临着极端恶劣的环境考验，其中最严峻的挑战之一就是高温。当飞行器以高速穿越大气层时，与空气摩擦产生的高温可达数千摄氏度，足以熔化大多数金属材料。因此，开发能够承受这种极端条件的热防护材料，成为航天技术发展的关键。

近年来，一种名为“陶瓷基热结构材料”的新型材料，因其卓越的性能而备受关注。这种材料由陶瓷基体和纤维增强相组成，其中最具代表性的是碳纤维增强碳化硅基复合材料（C/SiC）。它不仅具备传统陶瓷的耐高温特性，还通过纤维增强显著提高了材料的韧性和抗断裂能力。

陶瓷基材料的独特优势

陶瓷基热结构材料之所以能在航天领域大显身手，主要得益于以下几大优势：

1. 耐高温性能：C/SiC复合材料的使用温度可达1600℃以上，远超过传统金属材料的耐温极限。这意味着它能在重返大气层时有效抵御高温侵蚀。

2. 轻质高强：相比传统金属材料，陶瓷基复合材料具有更高的比强度和比模量。这意味着在同等强度下，它能实现更轻的重量，有助于提升飞行器的整体性能。

3. 抗氧化性：在高温下，许多金属材料容易氧化，而陶瓷基材料则表现出优异的抗氧化性能，能在极端环境中长期服役。

4. 结构功能一体化：陶瓷基复合材料不仅能承受高温，还能保持结构强度，实现热防护与结构承载双重功能的完美结合。

实际应用案例

2015年，欧洲航天局的IXV（Intermediate eXperimental Vehicle）试验飞行器成功完成了亚轨道飞行任务。这艘飞行器的热防护系统大量采用了C/SiC复合材料，包括头锥、翼前缘和体襟翼等关键部位。这些部件经受住了超过1600℃的高温考验，尺寸达到米级，展现了极高的制备工艺水平。

我国在陶瓷基热结构材料领域也取得了显著进展。科研人员突破了大尺寸异形薄壁C/SiC热结构材料的设计与制备关键技术，成功应用于多个航天型号。同时，针对不同需求，还开发了C/SiBCN、C/SiHfBCN等多种新型陶瓷基材料，进一步提升了材料的耐温性能和成本效益。

未来展望

随着航天技术的不断发展，对热防护材料的要求也越来越高。未来，陶瓷基热结构材料的研究将主要集中在以下几个方向：

1. 新型耐高温纤维：开发更高耐温的纤维增强体，进一步提升材料的使用温度上限。

2. 先进制备工艺：优化制备工艺，提高材料的致密度和均匀性，降低制造成本。

3. 多功能一体化：将防热、隔热、电磁隐身等多种功能集成到材料中，实现一材多用。

4. 低成本化：通过新材料和新工艺的开发，降低陶瓷基材料的生产成本，提高其应用范围。

陶瓷基热结构材料的发展，不仅将推动航天器热防护技术的进步，还将为其他高温领域的应用开辟新的可能。随着技术的不断成熟，我们有理由相信，这种神奇的材料将在未来的宇宙探索中发挥越来越重要的作用。