国防重材——超高温陶瓷

 
 
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随着航空航天技术迅猛发展和实现空天一体化的迫切需要,高超声速飞行器是近年多国航空航天部门发展的重点领域。在长时间高超声速巡航、跨大气层飞行和大气层再入等极端环境下,飞行器关键部件对材料的性能提出更高要求。极端环境一般指高温、反应气氛、机械载荷和磨损等组成的综合环境。在此要求下,超高温材料应运而生。

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目前有望在1800℃以上温度使用的材料有难熔金属材料、陶瓷基复合材料、C/C复合材料等。然而难熔金属材料密度高、加工性能和抗氧化性差,不适合作为高超声速飞行器的热防护材料。C/C复合材料虽已用于导弹、航天飞机等领域,但其高温下易发生氧化,限制了它在超高温领域。陶瓷基复合材料,由于具有高熔点、高硬度、高热导率和适中的热胀系数,具有良好的抗烧蚀性和化学稳定性,被认为是高超声速飞行器和再入式飞行器关键等部位最具前途的热防护材料。

超高温陶瓷(UHTCs)通常指熔点超过3000℃,并在极端环境中保持稳定的物理和化学性质的一类特殊陶瓷材料,通常包括过渡金属硼化物、碳化物、氮化物及其复合材料。

UHTCs的生命周期一般包括两个阶段:制备和应用。以硼化物UHTCs为例,在制备阶段,以过渡金属氧化物或过渡金属和硼源化合物为原料,利用化学反应合成过渡金属硼化物粉体。然后采用无压、热压或放电等离子烧结等方法将硼化物粉体制备成块体材料。在应用阶段,在由高温、反应气氛、载荷、烧蚀等因素所构成的极端环境下工作时,MeB2又易被氧化分解。

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硼化物UHTCs的生命周期

超高温陶瓷体系

超高温陶瓷若想要在航空航天领域广泛应用必须具有较高熔点和较低密度。在众多材料中,过渡金属硼化物、碳化物和氮化物符合这一要求,它们的熔点都在3000℃以上,其中ZrB2陶瓷密度可低至6.12g/cm3。

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硼化物、碳化物和氮化物UHTCs的熔点和密度

硼化物陶瓷

超高温硼化物陶瓷主要有HfB2、ZrB2、TaB2、TiB2和YB4陶瓷。这些陶瓷材料由于含有较强共价键,因而具有高熔点、高硬度、高强度、低蒸发率、高热导率和电导率等特点。硼化物陶瓷中ZrB2和HfB2是目前研究最为广泛的UHTCs,但其较差的抗氧化性限制了其广泛应用。

碳化物陶瓷

碳化物陶瓷中,能在超高温下环境下应用的有ZrC、HfC、TaC和TiC等。这类陶瓷有着非常高的熔点,在升温或降温过程中不发生固态相变,还有着较好的抗热震性和较高的高温强度,但碳化物UHTCs的断裂韧性较低,抗氧化性能差。

在碳化物UHTCs之中,ZrC价格便宜且具有高熔点、高硬度、优良导电性、导热性等性能,是非常有前景的材料。纯相ZrC在高温时抗氧化性能较差,一般与其他材料复合使用。HfC陶瓷有较高的熔点和硬度及相对低的线胀系数,较好地满足了极端条件下的使用要求,缺点主要是抗氧化性能较差。TaC由于有着高熔点、低密度、高硬度和良好的高温性能,已经在切削工具、电子材料、研磨材料、导弹结构材料、固体火箭发动机喉衬材料等领域得到广泛应用。但是TaC本身韧性差、抗氧化性能差,其实际应用受到一定限制。

氮化物超高温陶瓷

氮化物超高温陶瓷如ZrN、HfN和TaN也有良好的性能。过渡金属氮化物都有着较高熔点。然而,此类难熔氮化物的熔点还与环境气压有关,并不是所有难熔氮化物都适合在高温高压的氧化环境下工作。过渡金属氮化物在切削工具表面硬化层上有着重要的应用。与超高温硼化物和碳化物陶瓷相比,对于氮化物UHTCs抗氧化性能的研究相对较少。

参考资料:


张幸红. 超高温陶瓷复合材料的研究进展

郭强强. 超高温陶瓷的研究进展

周长灵. 无压烧结硼化锆基ZrB2-SiC 复相陶瓷的结构与性能

张磊磊. 超高温材料的研究现状与展望

齐方方. 超高温陶瓷基复合材料制备与性能的研究进展

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