热防护材料可吸收或消耗气动热，从而保证高超声速飞行器的安全。基于航天技术的快速发展，传统的热防护材料已经难以满足高马赫飞行的要求，尤其是随着深空探测和临近空间飞行器的发展，长时和可重复性已成为对热防护材料新的重要需求。

作为MAB相陶瓷的典型代表，MoAlB陶瓷具有优异的综合性能，包括高的电导率、高的维氏硬度、高的弯曲强度，以及高的断裂韧性。最重要的是，MoAlB陶瓷表现出优异的抗氧化和抗烧蚀性。西南交通大学高性能陶瓷研究实验室的胡春峰教授团队长期从事MAX及MAB相等先进陶瓷的研究，拥有各类陶瓷的制备、表征和性能考核的全套设备与技术。近期，团队采用电火花离子烧结（SPS）方法，在1200^oC快速制备了高纯度的MoAlB致密陶瓷块体，并使用等离子火焰对其超高温烧蚀性能和长时循环烧蚀性能及机理进行了深入探索，确认了MoAlB陶瓷在超高温环境下长时、重复循环使用的重要应用价值。

(a) MoAlB 和 (b) MoB 的晶体结构图

目前该团队所研发的MoAlB陶瓷已经完成粉体的中试制备工艺开发，以下为MoAlB陶瓷在各类测试条件下的性能及烧蚀机理。

1.1670-2550°C的烧蚀性能及烧蚀机理

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.04.039

图1. 等离子火焰烧蚀后MoAlB陶瓷的宏观形貌：S1：1670^oC；S2：2220^oC；S3：2400^oC；S4：2550^oC

表1.烧蚀考核参数和烧蚀率

图1展示了不同烧蚀温度下MoAlB陶瓷的表面形貌。在1670℃烧蚀温度下MoAlB陶瓷保持完整的结构，没有明显的烧蚀坑和宏观裂纹存在；在约2220℃时样品的烧蚀表面变的粗糙，在2400℃时样品表面出现了明显的烧蚀坑，在约2550°C时样品被完全烧穿。在1670°C烧蚀30 s后，线性烧蚀率（R_l）和质量烧蚀率（R_m）分别为0 µm/s和-0.581 mg/s，如表1所示。

图2. MoAlB陶瓷的烧蚀模型示意图：（a）低温氧化阶段；（b）热应力开裂阶段；（c）等离子流剧烈侵蚀熔融氧化铝阶段

图2展示了MoAlB陶瓷的烧蚀机理示意图。在1670°C时陶瓷表面形成了多孔的Al₂O₃层，并且伴有MoO₂、MoO₃和B₂O₃的挥发；当温度升高到2220°C时陶瓷表面的温度超过了Al₂O₃的熔点（2053°C），此时Al₂O₃开始熔化，导致陶瓷的烧蚀面变的粗糙；在2400°C时熔融的Al₂O₃能够保护基体，也能起到封闭裂纹与孔隙的作用。因此，高温氧化、热损伤、化学和机械侵蚀是MoAlB陶瓷的氧-等离子烧蚀的主要机理。

2.2000°C长时循环烧蚀性能及烧蚀机理

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2024.01.069

图3. MoAlB陶瓷在2000^oC循环烧蚀后的宏观照片：（a）1次循环；（b）3次循环；（c）5次循环；（d）6次循环（每次循环时间为300 s)

图4. 循环烧蚀MoAlB陶瓷的线性和质量烧蚀率

图3为MoAlB陶瓷在2000^oC循环烧蚀的形貌图。在约2000^oC下对MoAlB陶瓷进行循环烧蚀测试时，设定每次循环为300 s, 当循环至第六次时样品被火焰贯穿，总烧蚀时间达到1800 s。在第1-3次循环中R_l和R_m均接近零，如图4所示；说明在900 s内MoAlB陶瓷表现出近非烧蚀行为。因此，可以判定MoAlB陶瓷能够在2000°C承受5次循环烧蚀暴露7500 s，具有出色的可重复使用性能。

图5. MoAlB陶瓷在等离子体火焰中（a）前期、（b）中期和（c）后期的循环烧蚀机制示意图

根据循环烧蚀的过程以及MoAlB陶瓷的结构和形貌的变化，可以将烧蚀过程分为前期、中期、后期，如图5所示。在循环烧蚀的初期（1-2个循环），陶瓷表面主要以MoAlB陶瓷的氧化分解和高速等离子火焰的剪切损伤为主；在循环烧蚀的中期（3-4个循环），氧化铝保护层在火焰的切削力作用下被逐渐消耗；在循环烧蚀的后期（5-6个循环），MoAlB陶瓷被持续消耗，直至被火焰贯穿。

来源：西南交通大学

编辑：张浩 博士生

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