文章连载·美国赫氏：应对高超音速飞行系统的高温材料挑战

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作者：罗伯特·扬西博士

最近，高超音速武器系统受到了很多关注。它一直是美国军方的一个关键话题，并随着中国成功演示一种在下降前环绕全球的高超音速飞行器而引起关注。俄罗斯在高超音速系统方面也很活跃，中俄两国的发展进展相结合，导致美国和欧洲加大了力度。

高超音速系统需要高温材料，尤其是在前缘和鼻锥上，在这些速度下的空气摩擦会导致极高的温度，这些部件有时会超过 2000°C。几十年来，碳-碳等材料一直用于再入飞行器和火箭喷嘴，这些材料非常适合这些应用。这些高温材料系统通常在高温再入阶段消融或腐蚀，但在再入期间防止车辆燃烧。高超音速武器系统的挑战在于它们的设计是可机动和可操纵的，这意味着控制面的任何消融都会影响系统的机动性。

高超音速系统对高温材料的主要需求有两个：（1）材料在大气中飞行时能够承受高温而不会烧蚀和腐蚀，以及（2）成本较低的高温材料系统。

几十年来，碳-碳材料已用于高温应用并取得了良好的成功。Hexcel HexTow® 碳纤维是当今生产的大部分碳-碳材料的关键组成部分。正在进行研究以研究不烧蚀或以非常可控的方式烧蚀的碳-碳材料，因此它们可以用作机动车辆的控制表面。还正在探索高温涂层，以在飞行过程中保持控制表面完好无损。目前在具有比碳-碳更高的温度范围的陶瓷基复合材料 (CMC) 方面有很多活动。CMC 通常使用易碎且非常昂贵的陶瓷纤维，但正在研究将碳纤维用于 CMC，因为已经建立了碳纤维供应链，可以以比陶瓷纤维低得多的成本生产大量纤维。

在成本方面，大部分重点是降低生产碳-碳组件的成本。生产碳-碳的过程从碳纤维复合材料开始，然后将其加热到高温以燃烧掉基体材料中除碳以外的所有物质。然后用基体材料重新渗透该部件或通过化学气相沉积 (CVD) 工艺，该工艺重复几个循环以生产最终的碳-碳材料。渗透和 CVD 碳化周期可能长达数周，因此可能需要数月才能产生碳-碳结构。很多焦点都集中在降低生产碳-碳结构的成本和时间的方法上。一些 Hexcel HexPly® 预浸材料已显示出减少碳基体完全致密化所需时间的前景。在 CMC 材料中使用碳纤维还可以显着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。我记得在 1990 年代，国家航空航天飞机 (NASP) 做出了重大努力，以建造一架可以以高达 5 马赫的速度飞行的商用飞机。金属基体和陶瓷基体材料系统都有大量研究经费.最后，这些材料系统还太不成熟，无法自信地用于载人超音速商业运输。高超音速竞赛需要更高温度的材料系统。Hexcel 将继续支持这些材料开发和测试工作，并努力提供我们拥有的广泛的复合材料专业知识，以应对高超音速飞行系统带来的高温材料挑战。

关于作者

Robert Yancey 博士在他的职业生涯中担任过许多职务，包括研究、技术开发、销售、管理、业务发展和行政职务。他目前领导 Hexcel 在美洲的业务发展，包括先进材料、制造和工程产品。他在复合材料、复合力学和微力学、设计优化、增材制造、有限元建模和无损评估方面拥有技术背景。他拥有麻省理工学院航空航天学学士学位、弗吉尼亚理工大学工程力学硕士学位和博士学位。代顿大学材料工程专业。他是 SAMPE 的 AIAA 副技术研究员和工业 4.0 新兴技术负责人。

来源：美国赫氏，碳纤维生产技术编辑整理

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首次发布时间：2024-10-19

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