碳 / 碳复合材料与碳纤维在航天器再入热防护系统的应用

载人飞船、可重复使用航天器再入大气层时，表面气动加热温度可达上千摄氏度，热防护系统直接决定飞行器能否安全返回。碳纤维预制体制备的碳 / 碳（C/C）复合材料，是极端高温环境下核心防热结构材料，可在 2000℃以上高温保持稳定力学性能。

碳 / 碳复合材料以碳纤维织物、针刺毡为增强骨架，经过多次浸渍、碳化、石墨化制备而成，兼具低密度、低热膨胀、优良抗烧蚀、抗热震特性。美国航天飞机机翼前缘、鼻锥采用抗氧化改性碳 / 碳复合材料；我国多款再入飞行器端头、舵面热结构同样采用该材料体系。在固体火箭发动机内部，碳 / 碳复合材料喉衬抵御高温高速燃气冲刷，是大推力发动机关键部件。

单纯碳 / 碳材料在高温有氧环境极易氧化，因此必须通过表面涂覆 SiC 抗氧化涂层提升使用寿命。对于可重复使用飞行器，多次往返大气层带来反复冷热冲击，涂层开裂、氧化失效是主要失效形式，也是当前研究重点。

碳 / 碳复合材料成型周期长、加工成本高昂，限制大规模推广。对于温度相对较低的飞行器区域，搭配柔性陶瓷纤维隔热毡使用，形成 “刚性碳 / 碳热结构 + 柔性纤维隔热层” 复合防护体系。近年来三维编织碳纤维预制体技术快速发展，提升碳 / 碳材料层间强度，改善抗冲刷能力。随着载人登月、深空探测任务推进，兼具承载、防热多功能一体化碳 / 碳纤维复合材料，将持续优化升级，支撑各类往返天地飞行器研发。