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国外公司研发的耐超高温碳纤维增强陶瓷基复合材料将用于高超音速导弹壳体

根据最新消息显示，总部位于美国加利福尼亚州的MATECH公司已与一家著名的国防承包商签订了一份合同，旨在使用该公司碳纤维增强ZrOC（C/ZrOC）陶瓷基复合材料来开发用于飞行测试的高超音速导弹壳体。2023年，MATECH公司成功生产了50公斤陶瓷基复合材料（CMC），为今年的计划做准备。

MATECH开发的超高温（UHT）、高尺寸稳定的结构绝缘材料有助于克服与高超音速导弹壳体在高速飞行中面临的高温挑战；这些导弹壳体在高超音速条件下飞行时，温度会变得很高，因此飞得越快、温度也就越高。

MATECH公司的C/ZrOC陶瓷基复合材料是一种低烧蚀的高超音速材料，成本低、可规模化生产，易于制造。它已经在多个政府实验室极端停滞压力下高达2760°C以上温度进行了测试。此外，该公司表示这种陶瓷基复合材料的制造成本等于或低于更重、性能较差的金属同类产品。

除了用于防御的高超音速导弹壳体外，MATECH的C/ZrOC热防护系统（TPS）也是商用航天器上可重复使用隔热罩的理想选择。此外，MATECH的C/ZrOC可以承受月球返回和火星返回的极端热通量。

MATECH公司长期致力于超高温复合材料

自1989年成立以来，MATECH公司一直致力于高温和超高温（UHT）陶瓷纤维和陶瓷基复合材料技术的商业化。MATECH开发了一系列预陶瓷聚合物，用于制造碳化硅（SiC）、氮化硅/碳化硅（SiNC）、碳氧化硅（SOC）、氮化矽（Si3N4）和碳化铪（HfC），所有这些都用于高温结构应用。

高超音速鼻尖可以说是导弹材料最苛刻的超高温（UHT）应用。保持形状对导弹的运行至关重要。高密度热压陶瓷如碳化硅，可提供最低的氧化和烧蚀率。但是，陶瓷抗热震性差、韧性低。与之相比，陶瓷基复合材料（CMC）具有高韧性。

目前陶瓷基复合材料通常制备方法是从40-50%的密度CMC开始，然后使用场辅助烧结技术（FAST），最终得到的密度远未达到100%，而且由于纤维被破坏，性能非常糟糕。因此公司认识到从预制件一开始就必须更致密，孔隙率降至7-10%，公司后来成功证明了这一点，可以在不到10分钟的时间内获得高达99.9%的致密SiC/SiC，并且具有期望的CMC的强度和韧性。

碳-碳（C/C）复合材料最早是在1958年作为弹道再入鼻尖材料开发的，虽然高密度碳-碳（HDCC）复合材料性能优异，但在高温和滞流压力下，其烧蚀率非常高。基于此MATECH公司开发了一种极低烧蚀率的高超音速材料，这种被称为C/ZrOC复合材料成本低、可大规模生产且易于制造。在美国导弹防御局的大力支持下，MATECH将其超高温（UHT）C/ZrOC TPS和推进变型系统达到了高超音速和导弹防御应用的资格预审状态。这些是专门为满足关键国防和民用太空需求的高性能和易制造而开发的。