「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。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。
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。
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。
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。
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