C/C復合材料成為實用超高溫材料的一個技術關鍵

碳/碳（C/C）復合材料具有高強度、高模量、高斷裂韌性、高導熱、隔熱性能優異和低密度等優異特性，其密度為1.65～2.0g/cm3，僅為鋼的四分之一；摩擦特性好，摩擦系數穩定，并可在0.2～0.45范圍內調整；承載水平高，過載能力強，高溫下不會熔化，也不會發生粘接現象；線膨脹系數小，高溫尺寸穩定性好；使用壽命長，在同等條件下的磨損量約為粉末冶金剎車材料的1/3～1/7；更奇特的是，其強度隨溫度升高不降反升，是唯一能在2200℃以上保持高溫強度的工程材料；在循環加載后還會出現剩余強度升高的現象，即所謂“疲勞強化”現象。 

　　航空航天技術的發展對高溫材料的性能提出了苛刻的要求，尤其是高性能航空發動機熱結構件與空天飛行器熱防護系統，在服役過程中要承受嚴重的燒蝕、高速氣流的強沖擊和大梯度的熱沖擊。傳統金屬材料的使用溫度已經接近其極限，不能完全滿足使用要求，開發新型超高溫材料迫在眉睫。C/C復合材料的一系列優異特性，使得其用作飛行器熱防護系統具有其他材料難以比擬的優勢。 

　　但是，C/C復合材料在高于450℃的有氧環境下極易氧化，在超高溫極端環境下燒蝕嚴重，導致力學性能急劇下降。這成為阻礙其走向實用高溫材料的最大制約因素。雖然通過基體改性可以部分緩解這個問題，但基體改性技術的防氧化溫度與保護時間有限。從目前研究結果看，C/C復合材料高溫長壽命防氧化必須依賴涂層技術。 

　　目前開發的防氧化涂層體系主要有玻璃涂層、金屬涂層和陶瓷涂層。玻璃涂層可以用于密封層材料或剎車盤非摩擦面的防氧化。金屬涂層采用高熔點和低氧擴散系數的Ir，Hf，Cr，Mo等金屬，對C/C復合材料進行防護。陶瓷涂層通常利用硅化物的高溫氧化產物(玻璃態SiO2)填充涂層中的裂紋，阻擋氧氣滲入。陶瓷涂層是目前高溫防護效果最好的抗氧化涂層體系。 

　　為進一步提高陶瓷涂層的性能，緩解陶瓷與C/C之間熱膨脹系數的差異，相繼開發了多相鑲嵌、梯度、第二相增韌等陶瓷涂層體系。多相鑲嵌涂層利用大量的相界面來松弛應力，緩解熱失配。據報道，Si-MoSi2/SiC涂層經1400℃氧化100h后僅失重0.36%；在1500℃下可對C/C復合材料有效保護52小時。TaxHf1-xB2-SiC/SiC涂層在1500℃下的防氧化壽命可達到1480小時。梯度涂層使涂層與基體及多層涂層之間的組成呈連續分布，可消除界面應力，緩解涂層開裂趨勢。據報道，(SiC/Si3N4)/C梯度涂層，可用于1500～1550℃抗氧化；在C/C復合材料表面引入C-SiC梯度涂層，可以有效緩解涂層與基體的熱失配。將小尺寸的第二相引入陶瓷涂層中也可以提高韌性，減少涂層中裂紋。據報道，通過引入SiC，ZrO2納米顆粒和SiC晶須，或將SiC，HfC納米線引入涂層中，可以有效抑制涂層的開裂。