熱防護(hù)材料可吸收或消耗氣動熱，從而保證高超聲速飛行器的安全。基于航天技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的熱防護(hù)材料已經(jīng)難以滿足高馬赫飛行的要求，尤其是隨著深空探測和臨近空間飛行器的發(fā)展，長時(shí)和可重復(fù)性已成為對熱防護(hù)材料新的重要需求。

作為MAB相陶瓷的典型代表，MoAlB陶瓷具有優(yōu)異的綜合性能，包括高的電導(dǎo)率、高的維氏硬度、高的彎曲強(qiáng)度，以及高的斷裂韌性。最重要的是，MoAlB陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化和抗燒蝕性。西南交通大學(xué)高性能陶瓷研究實(shí)驗(yàn)室的胡春峰教授團(tuán)隊(duì)長期從事MAX及MAB相等先進(jìn)陶瓷的研究，擁有各類陶瓷的制備、表征和性能考核的全套設(shè)備與技術(shù)。近期，團(tuán)隊(duì)采用電火花離子燒結(jié)（SPS）方法，在1200^oC快速制備了高純度的MoAlB致密陶瓷塊體，并使用等離子火焰對其超高溫?zé)g性能和長時(shí)循環(huán)燒蝕性能及機(jī)理進(jìn)行了深入探索，確認(rèn)了MoAlB陶瓷在超高溫環(huán)境下長時(shí)、重復(fù)循環(huán)使用的重要應(yīng)用價(jià)值。

(a) MoAlB 和 (b) MoB 的晶體結(jié)構(gòu)圖

目前該團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的MoAlB陶瓷已經(jīng)完成粉體的中試制備工藝開發(fā)，以下為MoAlB陶瓷在各類測試條件下的性能及燒蝕機(jī)理。

1.1670-2550°C的燒蝕性能及燒蝕機(jī)理

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.04.039

圖1. 等離子火焰燒蝕后MoAlB陶瓷的宏觀形貌：S1：1670^oC；S2：2220^oC；S3：2400^oC；S4：2550^oC

表1.燒蝕考核參數(shù)和燒蝕率

圖1展示了不同燒蝕溫度下MoAlB陶瓷的表面形貌。在1670℃燒蝕溫度下MoAlB陶瓷保持完整的結(jié)構(gòu)，沒有明顯的燒蝕坑和宏觀裂紋存在；在約2220℃時(shí)樣品的燒蝕表面變的粗糙，在2400℃時(shí)樣品表面出現(xiàn)了明顯的燒蝕坑，在約2550°C時(shí)樣品被完全燒穿。在1670°C燒蝕30 s后，線性燒蝕率（R_l）和質(zhì)量燒蝕率（R_m）分別為0 μm/s和-0.581 mg/s，如表1所示。

圖2. MoAlB陶瓷的燒蝕模型示意圖：（a）低溫氧化階段；（b）熱應(yīng)力開裂階段；（c）等離子流劇烈侵蝕熔融氧化鋁階段

圖2展示了MoAlB陶瓷的燒蝕機(jī)理示意圖。在1670°C時(shí)陶瓷表面形成了多孔的Al₂O₃層，并且伴有MoO₂、MoO₃和B₂O₃的揮發(fā)；當(dāng)溫度升高到2220°C時(shí)陶瓷表面的溫度超過了Al₂O₃的熔點(diǎn)（2053°C），此時(shí)Al₂O₃開始熔化，導(dǎo)致陶瓷的燒蝕面變的粗糙；在2400°C時(shí)熔融的Al₂O₃能夠保護(hù)基體，也能起到封閉裂紋與孔隙的作用。因此，高溫氧化、熱損傷、化學(xué)和機(jī)械侵蝕是MoAlB陶瓷的氧-等離子燒蝕的主要機(jī)理。

2.2000°C長時(shí)循環(huán)燒蝕性能及燒蝕機(jī)理

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2024.01.069

圖3. MoAlB陶瓷在2000^oC循環(huán)燒蝕后的宏觀照片：（a）1次循環(huán)；（b）3次循環(huán)；（c）5次循環(huán)；（d）6次循環(huán)（每次循環(huán)時(shí)間為300 s)

圖4. 循環(huán)燒蝕MoAlB陶瓷的線性和質(zhì)量燒蝕率

圖3為MoAlB陶瓷在2000^oC循環(huán)燒蝕的形貌圖。在約2000^oC下對MoAlB陶瓷進(jìn)行循環(huán)燒蝕測試時(shí)，設(shè)定每次循環(huán)為300 s, 當(dāng)循環(huán)至第六次時(shí)樣品被火焰貫穿，總燒蝕時(shí)間達(dá)到1800 s。在第1-3次循環(huán)中R_l和R_m均接近零，如圖4所示；說明在900 s內(nèi)MoAlB陶瓷表現(xiàn)出近非燒蝕行為。因此，可以判定MoAlB陶瓷能夠在2000°C承受5次循環(huán)燒蝕暴露7500 s，具有出色的可重復(fù)使用性能。

圖5. MoAlB陶瓷在等離子體火焰中（a）前期、（b）中期和（c）后期的循環(huán)燒蝕機(jī)制示意圖

根據(jù)循環(huán)燒蝕的過程以及MoAlB陶瓷的結(jié)構(gòu)和形貌的變化，可以將燒蝕過程分為前期、中期、后期，如圖5所示。在循環(huán)燒蝕的初期（1-2個(gè)循環(huán)），陶瓷表面主要以MoAlB陶瓷的氧化分解和高速等離子火焰的剪切損傷為主；在循環(huán)燒蝕的中期（3-4個(gè)循環(huán)），氧化鋁保護(hù)層在火焰的切削力作用下被逐漸消耗；在循環(huán)燒蝕的后期（5-6個(gè)循環(huán)），MoAlB陶瓷被持續(xù)消耗，直至被火焰貫穿。

來源：西南交通大學(xué)

編輯：張浩 博士生

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