「导读」

清华大学柳冠中教授说：……中国的强大不能在网红上，看一看中国实验室中的实验设备，要么是德国的，要么是瑞士的，很少是中国的，现在的年轻人不妨把精力放在科研上，让美国的实验室中用的全都是中国制造的器材，中国强应强在科技不是电商……

今年4月24日，2023年中国航天大会在安徽合肥举行。主论坛上，受中国宇航学会和中国航天大会组委会委托，中国科学院院士、中国航天科技集团有限公司研究发展部部长王巍发布了2023年宇航领域科学问题和技术难题。这是继2020年、2021年、2022年发布宇航领域科学问题和技术难题以来的第四次发布活动涂料在线coatingol.com。此前所发布的项目对宇航领域的学术方向和研判趋势均产生了较大影响，相关研究课题得到上级单位的高度关注并助推其科研立项与实施，对于前瞻谋划并布局航天前沿科技领域和方向、打造原创技术策源地、推进航天强国建设具有重要意义。本文主要关注2500℃以上超高温环境下的热承载材料技术。

研究并发展耐2500摄氏度以上的新型超高温热承载材料体系是支撑未来先进航天器向更强、更快、多功能一体化发展的必由之路。为解决火箭发动机关键部件耐高温、气动热力学高精度预测和热防护材料抗氧化等关键问题提供理论基础，对提升未来航天装备极端条件下的适应性、可靠性和经济性具有重要意义。

那么国内外对于超高温环境下的热承载材料都有哪些？

一、陶瓷基复合材料

1、纤维增强型高温陶瓷复合材料

1.1高超声速飞行器用高温材料迈向3000℃

2018年1月，欧洲导弹系统公司（MBDA）披露了适用于英国/法国未来超音速和高超声速武器的高温材料持续研究项目细节。MBDA公司的开发方向之一是耐温高达3000℃的纤维增强型高温陶瓷复合材料，当前重点是使用HfB2粉浸渍的碳纤维预成型坯料，随后用化学气相浸渗工艺来生产高温陶瓷复合材料。MBDA公司表示，在样品厚度为12.5毫米的样品上进行的氧乙炔焊接实验表明，该材料具有优异的热保护性能。

此外，另一个项目研究小组正对射频透明陶瓷或射频透明陶瓷复合材料在500～1000℃温度范围的不同选择进行探索，应用可能包括数据链路天线罩，雷达高度计窗口和导引天线罩。2018年12月，为了应对高超声速飞行器前缘部位热问题，DARPA宣布了其高超声速飞行器材料系统和表征（MACH）项目。

高超声速飞行器前缘部位面临恶劣的极端热环境

MACH计划将包括两个技术领域：第一个领域旨在开发并加快完全集成的被动热管理系统的成熟，通过可扩展的近净制造和先进的热设计来冷却前缘；

第二个技术领域将专注于下一代高超声速材料研究，应用现代高保真计算能力，为未来高超声速飞行器的前缘冷却应用开发新的被动和主动热管理概念、涂层和材料。MACH计划寻求热工程和设计、先进计算材料开发、材料体系设计、制备和测试（包括高温金属、陶瓷及其复合材料的近净制造）、高超声速前缘设计和性能以及先进的热防护系统方面的专业知识。

1.2、美国研发出耐超高温度的碳纤维/SiC复合纤维，先进复合材料耐温超过2000℃

美国宇航局的星际探测器（ISP）概念研究由约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）领导，它将是第一个被派往探索太阳系以外空间的任务，要求比任何其他航天器速度更快、飞的更远。为了能够以非常高的速度到达非常远的距离，星际探测器可能需要执行“Oberth机动”，这将使探测器靠近太阳摆动，并利用太阳的引力将探测器弹射向深空。

为了实现这一目标，研究人员正在开发一种轻质、超高温的材料，用于探测器的太阳防护罩。作为回应，高温材料开发商Advanced Ceramic Fibers LLC（ACF，美国爱达荷州）最近与APL开展了一个为期7个月的项目，以开发能够承受3500°C（6332°F）高温的潜在材料。

该项目于2020年2月至8月进行，ACF的超高温陶瓷基复合材料（CMC）取得了有希望的初步结果。ACF对超高温CMC应用的首次重大尝试来自于2016-2021年与美国海军研究办公室（ONR）合作的SBIR第二阶段项目。ACF的任务是开发先进的、纤维增强的CMC，能够承受1371°C（2700°F）的高温。Koller介绍，这种材料是ACF的专利产品QuadXe，将用于制造军用飞机结构的涡轮发动机部件，而军用飞机结构以前的工作温度限制在2500°F左右。

2、陶瓷基热障涂层

2.1、新型稀土钽酸盐高温铁弹相变陶瓷材料的最高使用温度可以达到1600℃，甚至1800℃

我们国内热障涂层的研究和应用与国际先进水平相比还有较大的差距。以美国为例，在20 世纪50~60 年代，美国国防部和NASA 等就牵头开始了热障涂层的研究，在60~70 年代基本固定了材料的种类和生产工艺，在70~80 年代开始推广应用。

而我国开始热障涂层的应用主要是在2000 年以后，那时我们从俄罗斯、乌克兰等引入了一些相关的设备，较早研究热障涂层的机构主要是中国航空工业下属的航空企业和研究院所，以及包括北京航空航天大学在内的一些高校，经过10 多年的努力，进步非常大，现在我们已经可以把氧化锆基的陶瓷材料涂敷在叶片、涡轮及其他一些关键部件上。

但是，涂层是一种非常复杂的工程，虽然已经开始应用，但是我们的经验不足，所以导致我国航空发动机的质量和寿命还比不上国际一流的发动机产品，我们的技术还不够成熟。

美国的GE、英国的劳斯莱斯、日本三菱和德国的西门子是国际上涂层研究领域的领头羊，他们在30年前就基本完成了材料的研制，又在这30年间积累了大量的经验。而目前我国一些涂层材料刚刚研制成功并投入应用，要达到成熟的水平还需要时间和产品应用的经验积累，并不断完善。

新型稀土钽酸盐高温铁弹相变陶瓷材料的最高使用温度可以达到1600℃，甚至1800℃，是非常稳定的一种陶瓷，与氧化锆基材料相比有三大优势：

第一是热导率低，它比氧化锆基材料的热导率低一半，也就是说氧化锆降低100℃时，它能降低200℃，会产生一个较大的温度梯度，对于保护发动机叶片和其他部件效果明显。

第二是铁弹相变增韧，氧化锆基材料在高温下的增韧是由于它的铁弹性，这是其优于其他陶瓷材料的一大特点，其他陶瓷材料在高温下会变脆就是因为不具备这种铁弹性。

我们沿着这个思路来寻找新的材料，根据氧化锆的晶体结构找到了稀土钽酸盐陶瓷，经过研究发现，稀土钽酸盐也具有这种铁弹相变，会在高温下形成铁弹畴，在加载应力和释放应力时它会像橡皮筋一样不会马上变形，从而起到应力缓冲作用，大大提高了材料的高温断裂韧性。换句话说，就是在高温下它不会那么容易变脆，大幅提高了材料寿命。

第三是两者的低热导率机制不同。氧化锆材料的氧空位缺陷会引起声子散射，从而降低了声子热传输的过程，这是它低热导机制的本质。而稀土钽酸盐的低热导机制是钽原子本身质量比较大引起的非谐效应。氧空位形成的低热导材料是氧离子的导体，氧化锆材料因此可以作为燃料电池的电极使用，它在高温下是氧离子的良导体，氧离子可以自由出入氧化锆材料，这样就可以非常容易地氧化涂层下部的合金层，导致合金层表面快速生长一层氧化物。因为这层氧化物的热膨胀系数和热障涂层及合金层都不匹配，特别容易失效，所以发动机叶片涂层的失效不是热障涂层本身被损坏，而是这层氧化物使涂层在热循环过程中应力太大，造成脱落。稀土钽酸盐材料是氧离子的绝缘体，在合金层生长热氧化物的速度比氧化锆材料低1000倍以上。

2.2、复合陶瓷涂层

超高温陶瓷（主要指一些过渡金属的硼化物、碳化物和氮化物）具有大于3000摄氏度的熔点、良好的导热性能和适中的热膨胀系数，将其以涂层形式制备于纤维增强复合材料表面，是满足极高温长寿命应用需求的主要技术途径。

然而，超高温陶瓷涂层材料需要加入添加相形成多组元、多相复合结构，才能获得良好的抗氧化烧蚀性能，这对组元设计和制备技术提出了较大的挑战。

中国科学院上海硅酸盐研究所郑学斌研究员带领的研究团队根据超高温陶瓷材料特殊的结构和物理化学特性，在涂层制备技术和组成优化设计两方面取得系列进展。

基于低压/真空等离子喷涂技术和超高温陶瓷粉体结构控制技术，设计制备了ZrB2、ZrC、HfB2、HfC等多种纯相与复合涂层，该类陶瓷涂层的致密度达到93-97%。基于调控液相和固相氧化产物高温稳定性的设计思路，对超高温陶瓷涂层的化学组成进行调控，首次系统研究了硼化物和碳化物超高温陶瓷涂层的抗氧化烧蚀行为的差异性，包括表面温度变化趋势、氧化产物特性和抗氧化烧蚀行为等。研究结果表明，所制备的涂层材料具有2000-2500摄氏度超高温环境有效热防护的能力，为其实际应用提供了科学与技术基础。

硼化锆和碳化锆基复合涂层的氧化产物显微结构

3.复杂结构设计的耐高温陶瓷组合材料

3.1 航天飞机高温隔热材料

再入过程中因气动加热，航天飞机机头锥帽部位的峰值温度可达1650℃；机翼前缘部位峰值温度可达1260℃；迎风面区域的峰值温度约为500-1260℃；测背风面的峰值温度则低于500℃。由于各部位热防护系统所处环境不同，航天飞机轨道器采用了多种隔热材料进行热防护。受热载荷最重的机头、机翼前缘部位使用RCC材料；迎风面使用了氧化硅型刚性陶瓷防热瓦；热载荷较低的背风面使用了氧化硅型柔性隔热毡。

3.1.1 可重复使用的高温绝热材料

可重复使用的高温绝热材料（HRSI）瓷砖可承受高达1260℃的温度。在航天飞机上，HRSI瓦片覆盖了包含起落架、外部脐带连接门在内的轨道器下表面的部分，也用在机身前上部——轨道机动系统吊舱，垂直尾翼的前缘，升降副翼后缘等。HRSI的厚度不单一，具体取决于再入时遇到的热载荷。除封闭区域外，这些瓷砖通常为15×15（平方厘米）的正方形。HRSI瓷砖由高纯度二氧化硅纤维组成。瓷砖体积的90%是空的，因而密度仅有140kg/m3，足以完成太空飞行。后期部分HRSI被复合加工纤维绝热瓦（FRCI）替代。FRCI瓷砖提高了材料的耐久性与涂层的抗开裂性，在重量上也得到了减轻。

3.1.2 可重复使用的低温绝热材料

可重复使用的低温绝热材料（LRSI）覆盖在前缘附近的上翼，还用于前、中、后机身，垂直尾翼和轨道机动系统/反应控制系统吊舱的区域。这些瓷砖防护的再入温度低于649℃。LRSI瓷砖制造方式与HRSI瓷砖相同，但当轨道器暴露在直射阳光下时，白色有助于消除轨道器的热量。LRSI瓷砖可以重复使用多达100次任务再进行翻新。每次任务后，这些瓷砖都会在装配车间中接受检查，在下一次任务前更换受损的瓷砖。在必要时，将间隙填料的织物片插入瓷砖之间，使得瓷砖之间紧密贴合，防止过量的等离子体穿透间隙。

3.1.3 可重复使用的毡制绝热材料

可重复使用的毡制绝热材料（FRSI）是一种可在高达371℃的温度下提供保护的白色柔韧面料。FRSI覆盖了轨道飞行器的上翼面、上部有效载荷舱门、部分OMS/RCS吊舱和后机身。

3.1.4 可重复使用先进的绝热材料

可重复使用先进的绝热材料（AFRSI）是在“哥伦比亚”号交付使用之后开发的，并首次用于“挑战者”号的OMS吊舱。这种白色低密度纤维状硅石棉絮材料形似被子，并取代了绝大多数的LRSI瓷砖。AFRSI材料比LRSI瓷砖需要的维护更少但热性能相同。在NASA对“挑战者”号若干次的使用之后，AFRSI被更广泛地用于“发现者”号，并且在NASA失去“挑战者”号之后取代了“哥伦比亚”号的许多LRSI瓦片。

3.1.5 碳纤维强化碳复合材料

碳纤维强化碳复合材料（RCC），是一种亮灰色材料，可承受的再入温度高达1510℃，可保护机翼前缘和机头盖。每个轨道器的机翼都有22个RCC面板，厚度约为6.4到12.7毫米。每个面板之间的T形密封允许这些面板和机翼之间存在热膨胀或横向移动。为了具备抗氧化性以便重复使用，RCC的外层涂有碳化硅（SiC）。RCC对发射和再入期间的产生疲劳负荷具有高度抵抗力。RCC比瓷砖强，并且还用于轨道器前部连接点周围，用于适应爆炸螺栓爆震的冲击载荷。RCC是唯一的热塑性弹性体（TPE）材料。

3.1.6 间隙材料间隙填充材料

由白色AB312纤维或黑色AB312布套（含有氧化铝纤维）制成。这些材料用于机头前缘，、侧舱盖、机翼、垂直稳定器和航天飞机主发动机等部件的隔热罩。门和移动表面在热防护系统中不可避免地产生了开放性间隙，必须保护其免受热量的影响。可将间隙填料添置在门和移动表面上，通过防止形成涡流来减小升温。但在STS-114飞行中，部分间隙材料被认定存在潜在的安全风险，随后NASA移除了这些间隙材料。间隙填充物可能会引起机身下方产生湍流气流，进而导致进一步加热，可能损坏轨道器。虽然RCC具有最佳的热防护特性，但它也比其它含硅元素材料和弹性隔热材料重得多，因此它仅限于相对较小的区域。一般来说，材料使用的目的是：在受热区域，使用与所需热保护一致，质量最轻的隔热材料。

3.2 载人飞船高温隔热系统

3.2.1 AVCCOAT

AVCOAT是由航空集团（AVCO）制造的特定烧蚀隔热材料。AVCOAT被用于阿波罗飞船指挥舱的隔热系统中。尽管AVCOAT并未用于航天飞机轨道器，但NASA正在将该材料用于其下一代猎户座宇宙飞船。AVCOAT由环氧酚醛树脂，含特殊添加剂的玻璃纤维组成，密度约为0.51g/cm3，烧蚀后生成密度为0.107g/cm3的碳和密度为0.13g/cm3的二氧化硅。

3.2.2 酚碳热烧蚀板

酚碳热烧蚀板（PICA）是通过将碳纤维预制棒浸渍在酚醛树脂中得到的材料，具有低密度、在高热通量下具有高效烧蚀能力的优点。在样品返回任务与月球返回任务中，实验发现PICA具备高峰值加热能力，但PICA的热扩散系数低于其他高热通量烧蚀材料。

PICA由NASA艾姆斯研究中心在20世纪90年代研制。“星辰号”探测器返回舱大面积采用了PICA。返回舱进入大气层时飞行速度高达12.9km/s,刷新了宇宙探测器再入时飞行速度的新纪录，成为了有史以来最快的返回式航天器。PICA对于2006年返回地球的“星尘”任务的可行性至关重要。“好奇号”火星探测器也使用了PICA隔热罩进入火星大气层。

3.2.3 PICA-X

美国太空探索技术公司在2006-2010年为龙飞船开发了新型的PICA材料，命名为PICA-X，这一新材料是在PICA基础上改进而成，且更易生产。2010年12月8日，PICA-X热防护罩的第一次再入测试于DragonC1任务中进行。

PICA-X隔热罩的设计团队仅由十几名工程师和技术人员组成，但不论设计、开发都完全合格，且耗时不到4年。PICA-X的制造成本仅有PICA成本的1/10。

龙飞船最初使用的是初代PICA-X,后来配备了PICA-XV2，“龙二”飞船则使用了PICA-XV3。SpaceX表示每个新版本的PICA-X都是主要改进了隔热能力，而不是降低制造成本。

4、二氧化硅气凝胶

有一种神奇的材料，被称为航天隔热“神器”。它的密度可以做到比空气还小，是最轻的固体材料；它的导热系数比静态空气还低，是导热系数最低的固体材料；把十几克的它完全铺展开来，其表面积可以覆盖一个足球场……各种特殊的性能，使这种神奇材料先后荣膺15项吉尼斯世界纪录。它就是二氧化硅气凝胶。

气凝胶是材料界的一朵奇葩，其密度可以做到比空气还小，作为“世界上最轻的固体”还被列入了吉尼斯世界纪录。虽然它重量超轻，结构却非常稳定。比如，经过特殊方法合成的二氧化硅气凝胶最高能承受1100摄氏度的高温，在航天产品的热防护领域必不可少。

二、Nb-Si基合金

为大幅度提高航空发动机的推重比和输出功率，发动机涡轮叶片的工作温度越来越高。为提高发动机涡轮叶片的耐温能力，涡轮叶片的核心材料—镍基高温合金经历了变形高温合金－等轴晶铸造高温合金－定向柱晶高温合金－单晶高温合金的发展历程，但是由于高温合金的熔点限制（≈1350℃），其承温能力很难超过1150℃。在寻求承温能力更高的结构材料的过程中，Nb-Si基超高温结构材料（以下简称为Nb-Si基合金）因其高熔点（1700 ℃左右）、低密度（约7g/cm3），高承温能力（可达1200～1400℃）等特点，成为有望满足未来航空发动机涡轮叶片使用需求的新型结构材料体系之一。

Nb-Si 基超高温合金具有高熔点、低密度以及优异的综合性能，其目标使用温度是比Ni基高温合金提高200~300°C，有望应用于在1300~1500°C工作的燃气涡轮发动机叶片以及空天飞行器超然冲压发动机热端部件上。

北京航空材料研究院制备的Nb-Si基合金定向凝固空心叶片模拟件

Nb-Si 基超高温合金依靠硅化物Nb5Si3相在高温增强，铌基固溶体相在室温增韧，铬化物Cr2Nb相提供更好的高温抗氧化性能，以实现室温韧性、高温强度和高温抗氧化性能的匹配。Nb-Si 基超高温合金的研发思想主要是通过加入韧性固溶体相形成昵基固溶体/Nb5Si3双相复合材料，在保持优良高温强度的同时，改善其室温韧性。NbSi 基超高温合金主要的合金化元素为Ti、Al、Cr、Hf、Zr、Mo、V、Ta、Sn、B以及Ho 和Dy等稀土元素。

目前国内外研究的典型Nb-Si基合金的成分为: Si 含量为12~18at%，Ti 含量为20~ 24at%，Cr含量为2~ 6at%，Al 含量为2~at%，Hf含量为2~ at%，稀土元素的含量一般不超过5at%。Nb-Si 基超高温合金的制备方法和热加工工艺有真空非自耗/自耗电弧熔炼、粉末治金、定向凝固、物理气相沉积、热等静压、热挤压和烧结-锻造等。

国内外有关Nb-Si 多元合金的报道中，综合性能最优异的是GE公司通过定向凝固法制备的Nb-24.7Ti-16Si-8.2Hf-2.0Cr-1.9Al 合金。该合金的组织是由铌基固溶体、Nb3Si 板条及少量Nb5Si3组成，组成相沿生长方向并列分布，其中昵基固溶体的体积分数为54%，铌基固溶体枝晶包括其二次枝晶臂的平均尺寸为24um，该合金的断裂韧性KIC约为19 ~ 22MPam1/2，抗拉强度约为820MPa，1200°C的抗拉强度为370MPa。由于该合金的密度较低，所以其比强度较高。另有报道，用挤压+热处理制备的Nb-10Si合金的抗拉强度可达800MPa左右，但其延性低于0.5%。

烧结+锻造制备的Nb-Si基合金推力室成形零件

目前,研发工作的短期目标是1370°C在试验台暴露10 h氧化损失小于200um；长期目标是1315°C/100 h氧化损失小于25um。这些氧化性能的目标是要使Nb-Si基合金在1315°C获得与目前二代单晶合金在1150°C 相同的氧化寿命。另有报道，美国GE公司用电弧熔炼和滴铸技术制备出Nb硅化物的近终型叶片模拟件。叶片模拟件的全长约为150mm。

在该项技术中，先用传统电弧熔炼将合金熔化，然后滴铸到陶瓷基模壳中，氧化铝基模壳采用传统挂浆技术制备，表面有涂层，用于减小合金与模壳的反应程度。Nb-Si基合金的成形对于后续的工程应用尤为重要。但是，Nb-Si基合金的熔点高达1700 ℃以上（远高于现有的镍基高温合金），并且合金含有多种活泼元素，易与陶瓷坩埚、型壳、型芯等耐火材料发生反应，使合金熔炼温度必须大幅度提升，对耐火材料的承温能力以及高温惰性也提出了新的要求，同时合金本身脆性较大，热加工成形难度也具有很大的挑战性。

热等静压近净成形Nb-Si基合金叶片

模拟件三、高温环境下的新一代材料—难熔高熵合金高熵合金（high-entropy alloys，HEAs）是由五种以上主要元素组成，且每种主元的原子分数在5%～35%范围内的一种新型合金，被认为是最近几十年来合金化理论的三大突破之一。高熵合金具有高强度，高室温韧性，耐磨损性、抗氧化性、耐腐蚀性和热稳定性等一系列优异性能。

难熔高熵合金（refractory high entropy alloys，RHEAs）是以熔点高于1650℃的难熔金属元素为主元的一种新型高熵合金。难熔高熵合金因大多数组成元素为高熔点元素，具有较高的熔点，表现出优异的高温性能，同时合金具有高熵合金的特性，成为非常有潜力的高温合金之一。

制备方法：

难熔高熵合金主要分为三种类型：块体、涂层和薄膜。目前制备难熔高熵合金的方法主要为真空电弧熔炼、粉末冶金、真空磁控溅射、激光熔覆等方法。不同类型难熔高熵合金的制备方法及优缺点如表1所示。

表：不同类型难熔高熵合金的制备方法及优缺点

航空航天的征程中，耐超高温的材料和结构是核心挑战。太阳探测器在太阳表面约1000万公里的地方，面临100万摄氏度的高温；高超声速飞行器的鼻锥和翼前缘，温度可达3000 ℃以上，液体火箭发动机喷嘴出口温度可达2000 ℃以上。航天产品的质量没有99分！

当前新一轮科技革命和产业变革突飞猛进，学科交叉融合不断发展，科学研究范式发生深刻变革，科学技术和经济社会发展加速渗透融合，基础研究转化周期明显缩短，国际科技竞争向基础和前沿前移。党的二十大报告指出，必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，强调创新在我国现代化建设全局中的核心地位，加快实现高水平科技自立自强，加快建设科技强国。进入新时代以来，以载人航天、月球探测、火星探测、北斗导航、新一代运载火箭为代表的航天重大工程连战连捷，航天科技工作者要自觉肩负起神圣使命和历史责任，抢抓历史机遇，把握历史主动，勇于创新突破，加快推动航天强国建设。