為了能夠以非常高的速度到達(dá)非常遠(yuǎn)的距離，星際探測器可能需要執(zhí)行“Oberth機(jī)動”，這將使探測器靠近太陽擺動，并利用太陽的引力將探測器彈射向深空。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員正在開發(fā)一種輕質(zhì)、超高溫的材料，用于探測器的太陽防護(hù)罩。

作為回應(yīng)，高溫材料開發(fā)商Advanced Ceramic Fibers LLC（ACF，美國愛達(dá)荷州）最近與APL開展了一個為期7個月的項(xiàng)目，以開發(fā)能夠承受3500°C（6332°F）高溫的潛在材料。該項(xiàng)目于2020年2月至8月進(jìn)行，ACF的超高溫陶瓷基復(fù)合材料（CMC）取得了有希望的初步結(jié)果。

CMCs通常用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)和其他高溫應(yīng)用中，具有重量輕、耐高溫特性，經(jīng)過初步測試，由ACF公司的專有CMC材料制成的試樣顯示出達(dá)到或超過美國NASA溫度目標(biāo)的可能性，并具有蒸汽壓力低特點(diǎn)，且同時可保持機(jī)械強(qiáng)度要求。

直接纖維轉(zhuǎn)換

ACF公司成立于2012年，已開發(fā)并申請了其所謂的直接轉(zhuǎn)化工藝（DCP）專利，該工藝通過將碳纖維絲束經(jīng)連續(xù)工藝，將每根碳纖維長絲的外層轉(zhuǎn)化為金屬碳化物如碳化硅（SiC/C）。ACF首席執(zhí)行官Ken Koller指出，與其他CMC相比，這種工藝的不同之處在于它是一種纖維轉(zhuǎn)化工藝，而不是涂層。

通過ACF的直接轉(zhuǎn)化工藝，制備得到的轉(zhuǎn)化PAN基碳纖維，基體PAN基碳纖維為每根長絲的黑色中心，均勻的白色外層為碳化硅（SiC）

由此產(chǎn)生的纖維束被稱為Fi-Bar，之所以這樣命名是因?yàn)?ldquo;當(dāng)它與金屬和陶瓷等材料結(jié)合時，就像鋼筋一樣”。結(jié)合陶瓷基體和其他專有材料，F(xiàn)i-Bar是ACF 的CMC材料的基礎(chǔ)，專為在極端溫度環(huán)境中使用而設(shè)計(jì)。

“我們的CMC可以根據(jù)具體應(yīng)用使用不同的材料進(jìn)行修改，”Koller介紹，ACF擁有一項(xiàng)美國專利，涵蓋了元素周期表中35種金屬碳化物。這意味著，理論上，我們可以使用鈦、鉿、鋯等作為金屬碳化物，通過直接轉(zhuǎn)化工藝來加工Fi-Bar。

航天用超高溫CMCs

ACF對超高溫CMC應(yīng)用的首次重大嘗試來自于2016-2021年與美國海軍研究辦公室（ONR）合作的SBIR第二階段項(xiàng)目。ACF的任務(wù)是開發(fā)先進(jìn)的、纖維增強(qiáng)的CMC，能夠承受1371°C（2700°F）的高溫。Koller介紹，這種材料是ACF的專利產(chǎn)品QuadXe，將用于制造軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)的渦輪發(fā)動機(jī)部件，而軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)以前的工作溫度限制在2500°F左右。

作為ACF與ONR共同開展項(xiàng)目的一部分，五個NASA設(shè)計(jì)的渦輪發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行了高溫測試，每個葉片由Fi-Bar增強(qiáng)CMC制成，測試溫度高達(dá)2900°F，其中一個樣品能夠達(dá)到3120°F，無外部損壞，內(nèi)部Fi-Bar碳纖維芯保持完好。

他補(bǔ)充說，在隸屬于一家未透露姓名的美國渦輪發(fā)動機(jī)制造商的美國研究中心進(jìn)行測試后，其中一個測試部件實(shí)際能夠達(dá)到1704°C（3100°F）的工作溫度。這一點(diǎn)的意義在于，渦輪發(fā)動機(jī)運(yùn)行溫度越高，效率就越高，這節(jié)省了運(yùn)行成本，使飛行員能夠飛得更快。

與ONR項(xiàng)目相比，星際探測器的概念需要更高的溫度——超過 3,000°C 持續(xù)數(shù)小時——以及更復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。重量輕、結(jié)構(gòu)完整性、機(jī)械強(qiáng)度和屏蔽尺寸也是關(guān)鍵考慮因素。鎢是一種超高溫材料，過去曾被用于隔熱罩，對于概念中所列的最初的泡沫填充夾層隔熱罩設(shè)計(jì)來說，鎢太重了。

基于ACF對SiC-CMC材料的ONR研究的基礎(chǔ)，新的APL研究的重點(diǎn)是ACF的加工技術(shù)是否可以擴(kuò)展到CMC的開發(fā)，這種CMC是基于其他幾種以超高溫性能著稱的金屬碳化物。ACF的專有工藝生產(chǎn)的金屬碳化物CMC樣品據(jù)說具有非常低的蒸汽壓和低密度。

采用火焰測試和真空加熱對樣品進(jìn)行測試，這些材料顯示出輕質(zhì)、低蒸氣壓材料的潛力，擴(kuò)展了目前碳纖維材料的2000°C（3632°F）上限，并且這些材料在至少2900°C（5252°F）的溫度下仍可保持高機(jī)械強(qiáng)度，溫度甚至可以更高。APL的初步報(bào)告總結(jié)：第一階段項(xiàng)目的結(jié)果證明了開發(fā)具有超高溫能力的全新材料的潛力。