【摘 要】
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高超声速飞行器服役于超高温度、高气动载荷和高速气流冲刷等严酷环境中,并且其冲压发动机也会面临超高温水蒸汽、高气动压力等极端条件。面对如此恶劣的服役环境,现有的隔热材料无法满足高超声速飞行器热防护系统的发展需求。因此,开发新型轻质、高强、超高温隔热材料对于推动高超声速飞行器的发展具有重要意义。基于上述背景,本论文开展了新型超高温隔热材料的制备和性能研究,主要研究内容包括:1.为了提高多孔超高温陶瓷的
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高超声速飞行器服役于超高温度、高气动载荷和高速气流冲刷等严酷环境中,并且其冲压发动机也会面临超高温水蒸汽、高气动压力等极端条件。面对如此恶劣的服役环境,现有的隔热材料无法满足高超声速飞行器热防护系统的发展需求。因此,开发新型轻质、高强、超高温隔热材料对于推动高超声速飞行器的发展具有重要意义。基于上述背景,本论文开展了新型超高温隔热材料的制备和性能研究,主要研究内容包括:1.为了提高多孔超高温陶瓷的孔隙率,发展了一种制备多孔超高温陶瓷的方法—原位反应/部分烧结法。设计了一种合成YB2C2陶瓷的新型反应路径,首次以Y2O3、BN和石墨作为原料,用原位反应/部分烧结法制备了具有高孔隙率（57.17%～75.26%）和高压缩强度（17.47±1.05 MPa～98.57±3.47 MPa）的多孔YB2C2陶瓷,建立了坯体密度与烧结密度、孔隙率、径向收缩率和压缩强度之间的关系。研究结果表明通过改变坯体密度可以调控多孔YB2C2陶瓷的微观结构及力学性能。2.针对超高温隔热领域的需求,首次采用原位反应/部分烧结法制备了多孔过渡金属碳化物陶瓷。研究了碳热还原反应的热力学以及反应过程中的气体释放和坯体收缩行为,设计了相应的工艺参数,通过改变升温速率的方式对碳热还原反应过程加以调控,成功制备出外形完整的Zr C、Hf C、Nb C、Ta C和Ti C多孔陶瓷材料。多孔过渡金属碳化物具有孔隙率高（68.74%～80.24%）、晶粒尺寸小（200～800 nm）和热导率低(0.63～1.12 W·m-1·K-1)的特点。研究结果表明通过提高孔隙率、减小晶粒尺寸等方式可以有效降低多孔超高温陶瓷的热导率。3.为了进一步降低多孔超高温陶瓷的热导率,首次采用原位反应/部分烧结法制备出多孔高熵超高温陶瓷。研究了反应过程中的气体释放和坯体收缩行为,设计了相应的工艺参数,制备出外形完整的多孔高熵(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Ta0.2)C和(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Ta0.2)B2陶瓷。多孔高熵超高温陶瓷具有比单一组分多孔陶瓷更低的热导率。多孔高熵(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Ta0.2)C和(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Ta0.2)B2陶瓷的室温热导率分别为0.39 W·m-1·K-1和0.51 W·m-1·K-1。此外,多孔高熵超高温陶瓷具有良好的高温稳定性。这些优异的性能使得多孔高熵(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Ta0.2)C和(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Ta0.2)B2在超高温隔热领域具有潜在的应用价值。4.针对主动冷却结构的需求,首次采用B还原反应和B4C还原反应制备出多孔高熵(Y0.2Yb0.2Sm0.2Nd0.2Eu0.2)B6陶瓷。设计了高熵稀土六硼化物的组分以及合成高熵稀土六硼化物的B还原反应和B4C还原反应,并研究了两种反应过程中的气体释放和坯体收缩行为以及物相演变过程,确定了相应的反应路径。多孔高熵(Y0.2Yb0.2Sm0.2Nd0.2Eu0.2)B6陶瓷具有孔隙率高（～70.92%）、压缩强度高（～31.59 MPa）、热导率低(～1.81 W·m-1·K-1)和透气率高(～2.73×10-11m2),是一种潜在的主动冷却多孔介质材料。
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