高超音速飞行器背后的“黑科技”:碳碳(C/C)和碳陶(C/SiC)复合材料

最近,高超音速武器系统得到了很多关注,而根据海外媒体发布的最新报道,中国已经在11月用DF-17弹道导弹搭载高超音速飞行器进行了多次试射,这是全球首次高超音速飞行器作战使用试验。随着中国成功演示了高超音速飞行器在下降前绕全球飞行,俄罗斯在高超音速系统方面也很活跃,中国和俄罗斯的发展进程结合在一起,导致美国和欧洲在该领域正加大努力。

高超音速飞行器背后的“黑科技”:碳碳(C/C)和碳陶(C/SiC)复合材料-CompositesPlus

高超音速系统需要高温材料,特别是在前缘和鼻锥上,在高超音速度下的空气摩擦会导致极高的温度,有时这些的温度会超过2000°C。碳-碳(C/C)复合材料等被用于再入飞行器和火箭喷嘴已经有数十年的历史,这些材料在上述应用中确实很有效。这些高温材料系统通常在高温再进入阶段烧蚀或侵蚀,但在再进入阶段防止车辆燃烧。高超音速武器系统的挑战在于,它们具有机动性和可操纵性,这意味着任何控制表面的烧蚀都可能影响系统的机动性。

高超音速系统的高温材料有两种主要需求:

(1)在大气中飞行时,材料能够承受高温而不发生烧蚀和侵蚀;

(2)具有较低成本的高温材料系统。

碳-碳复合材料在高温应用中已经应用了几十年,并取得了良好的成功。全球领先的碳纤维制造商之一——美国Hexcel公司生产的HexTow?碳纤维是当今生产的许多碳-碳复合材料的关键成分。目前公司也正在研究碳/碳复合材料,它们不会以非常可控的方式烧蚀,这样它们就可以用作机动车辆的控制表面。此外,有关高温涂层的研究也正在进行,通过耐高温涂层以在飞行过程中保持控制表面的完整。

目前,陶瓷基复合材料( ceramic-matrix composites,CMC)的温度范围甚至高于碳-碳复合材料。CMCs通常使用脆性且非常昂贵的陶瓷(SiC)纤维,但目前正在研究使用碳纤维的CMCs,因为目前全球已经建立了完善的碳纤维供应链,可以以比陶瓷纤维低得多的成本生产大量的纤维。在成本方面,主要的重点是降低生产C/C复合材料的成本。生产C/C复合材料的过程从碳纤维复合材料开始,然后将其在高温环境中燃烧基体材料从而去除碳以外的所有物质;随后,使用基体材料进行重新渗透,或通过化学气相沉积(CVD)过程,该过程重复几个循环,以产生最终的C/C复合材料。渗透和CVD碳化循环可能需要数周的时间,因此可能需要数月的时间才能产生碳-碳结构。许多焦点都在如何降低生产C/C结构的成本和时间。根据Hexcel公司研究部分HexPly?预浸料有望缩短碳基体完全致密化所需的时间。在CMC材料中使用碳纤维也可以显著降低生产陶瓷基复合材料的成本。

材料是高超音速武器系统的关键技术。在20世纪90年代,美国国家航空航天飞机(Natio
nal Aerospace Plane,NASP)做出了重大努力,建造了一架速度高达5马赫的商用飞机。金属基体和陶瓷基体材料系统都有大量的研究资金。最后,这些材料系统太不成熟,无法自信地用于载人超音速商业运输。因此,总而言之,高超音速竞赛需要更高温度的材料系统,基于特性和成本考虑碳陶复合材料有望成为其重要原材料。(主要参考:Hexcel)作者钱鑫博士

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