碳/碳-(铪,锆,钛)碳化物-(铪,锆,钛)硼化物-钨-铜陶瓷基复合材料在固体火箭发动机环境中的抗烧蚀行为研究

　　为解决固体火箭发动机(SRM)喷嘴喉部材料在高温高压两相流环境中的过度烧蚀问题，研究人员通过浆料渗透和反应熔渗技术(1400°C)制备了C/C-(Hf, Zr, Ti)C-(Hf, Zr, Ti)B2 -W-Cu陶瓷基复合材料。该材料通过形成致密(W骨架)-(Hf, Zr, Ti)O2 氧化层，使线性和质量烧蚀率分别降低112.1%和160.4%，显著提升了SRM推力性能，为新一代轻量化耐烧蚀喷嘴材料设计提供了新思路。

　　

随着人类深空探测任务的扩展，火箭发动机推力提升与轻量化成为航天领域的核心挑战。固体火箭发动机(SRM)喷嘴喉部作为关键部件，长期承受3000°C以上高温、高压两相流(含Al₂
O₃
颗粒)的极端环境，传统材料如钨铜合金(密度16.84 g/cm³
)和纯石墨分别面临重量过大和抗热震性不足的瓶颈。尽管碳/碳(C/C)复合材料具有优异的耐热冲击特性，但其在SRM环境中的高烧蚀率(0.074 mm/s)仍制约着发动机寿命。

中南大学研究团队创新性地将金属增强策略引入超高温陶瓷(UHTCs)改性的C/C复合材料，通过浆料渗透联合反应熔渗技术，在1400°C下成功制备出C/C-(Hf, Zr, Ti)C-(Hf, Zr, Ti)B₂
-W-Cu多相陶瓷基复合材料。该研究系统考察了材料的微观结构形成机制、力学性能、热物理特性及SRM真实环境下的烧蚀行为，相关成果发表于《Journal of Materials Science》。

关键技术包括：1) 采用2.5D针刺C/C预制体经化学气相渗透(CVI)致密化处理；2) 通过(Hf_0.5
Zr_0.3
Ti_0.2
)₂
Cu合金熔渗实现中熵碳化物/硼化物原位合成；3) SRM实测环境下的动态烧蚀性能评价。

微观结构与形成机制
XRD分析显示(Hf, Zr, Ti)C和(Hf, Zr, Ti)B₂
形成单衍射峰固溶体，W-Cu相均匀分布于陶瓷骨架中。反应路径分析表明，熔融Cu优先与Hf/Zr/Ti合金反应生成碳化物，残余金属相通过毛细作用填充孔隙，形成"陶瓷骨架-金属网络"互穿结构。

力学与热物理性能
三点弯曲测试显示，W-Cu金属相的引入使复合材料弯曲强度提升至705 MPa，断裂韧性达10.7 MPa·m^1/2
。热导率测试证实(Hf, Zr, Ti)B₂
的引入(104 W/m·K)显著改善材料热扩散性能，较纯C/C提升约3倍。

SRM环境烧蚀行为
在含Al₂
O₃
颗粒的两相流中，材料表面形成分层结构：外层为(Hf, Zr, Ti)O₂
致密氧化层(厚度~50 μm)，中层为W骨架支撑的多孔过渡层，内层为未反应的陶瓷-金属复合区。这种结构使线性烧蚀率降至0.032 mm/s，较传统C/C-(Hf, Zr, Ti)C降低112.1%。

讨论与结论
该研究突破传统反应熔渗需1800°C以上的技术限制，通过中熵陶瓷设计结合金属增强策略，实现三大创新：1) 多尺度(Hf, Zr, Ti)C-(Hf, Zr, Ti)B₂
固溶体形成温度降低22%；2) W-Cu网络同步提升机械强度与热冲击抗力；3) Cu的"发汗冷却"效应使表面温度降低250°C。这种材料设计理念为SRM喷嘴的轻量化(密度<5 g/cm³
)与长寿命化提供了新范式，潜在应用于长征系列火箭发动机升级。