中國粉體網(wǎng)訊  隨著航空航天技術迅猛發(fā)展和實現(xiàn)空天一體化的迫切需要，高超聲速飛行器是近年多國航空航天部門發(fā)展的重點領域。在長時間高超聲速巡航、跨大氣層飛行和大氣層再入等極端環(huán)境下，飛行器關鍵部件對材料的性能提出更高要求。極端環(huán)境一般指高溫、反應氣氛、機械載荷和磨損等組成的綜合環(huán)境。在此要求下，超高溫材料應運而生。

目前有望在1800℃以上溫度使用的材料有難熔金屬材料、陶瓷基復合材料、C/C復合材料等。然而難熔金屬材料密度高、加工性能和抗氧化性差，不適合作為高超聲速飛行器的熱防護材料。C/C復合材料雖已用于導彈、航天飛機等領域，但其高溫下易發(fā)生氧化，限制了它在超高溫領域。陶瓷基復合材料，由于具有高熔點、高硬度、高熱導率和適中的熱脹系數(shù)，具有良好的抗燒蝕性和化學穩(wěn)定性，被認為是高超聲速飛行器和再入式飛行器關鍵等部位最具前途的熱防護材料。

超高溫陶瓷(UHTCs)通常指熔點超過3000℃，并在極端環(huán)境中保持穩(wěn)定的物理和化學性質的一類特殊陶瓷材料，通常包括過渡金屬硼化物、碳化物、氮化物及其復合材料。

UHTCs的生命周期一般包括兩個階段：制備和應用。以硼化物UHTCs為例，在制備階段，以過渡金屬氧化物或過渡金屬和硼源化合物為原料，利用化學反應合成過渡金屬硼化物粉體。然后采用無壓、熱壓或放電等離子燒結等方法將硼化物粉體制備成塊體材料。在應用階段，在由高溫、反應氣氛、載荷、燒蝕等因素所構成的極端環(huán)境下工作時，MeB2又易被氧化分解。

硼化物UHTCs的生命周期

超高溫陶瓷體系

超高溫陶瓷若想要在航空航天領域廣泛應用必須具有較高熔點和較低密度。在眾多材料中，過渡金屬硼化物、碳化物和氮化物符合這一要求，它們的熔點都在3000℃以上，其中ZrB2陶瓷密度可低至6.12g/cm³。

硼化物、碳化物和氮化物UHTCs的熔點和密度

硼化物陶瓷

超高溫硼化物陶瓷主要有HfB2、ZrB2、TaB2、TiB2和YB4陶瓷。這些陶瓷材料由于含有較強共價鍵，因而具有高熔點、高硬度、高強度、低蒸發(fā)率、高熱導率和電導率等特點。硼化物陶瓷中ZrB2和HfB2是目前研究最為廣泛的UHTCs，但其較差的抗氧化性限制了其廣泛應用。

碳化物陶瓷

碳化物陶瓷中，能在超高溫下環(huán)境下應用的有ZrC、HfC、TaC和TiC等。這類陶瓷有著非常高的熔點，在升溫或降溫過程中不發(fā)生固態(tài)相變，還有著較好的抗熱震性和較高的高溫強度，但碳化物UHTCs的斷裂韌性較低，抗氧化性能差。

在碳化物UHTCs之中，ZrC價格便宜且具有高熔點、高硬度、優(yōu)良導電性、導熱性等性能，是非常有前景的材料。純相ZrC在高溫時抗氧化性能較差，一般與其他材料復合使用。HfC陶瓷有較高的熔點和硬度及相對低的線脹系數(shù)，較好地滿足了極端條件下的使用要求，缺點主要是抗氧化性能較差。TaC由于有著高熔點、低密度、高硬度和良好的高溫性能，已經(jīng)在切削工具、電子材料、研磨材料、導彈結構材料、固體火箭發(fā)動機喉襯材料等領域得到廣泛應用。但是TaC本身韌性差、抗氧化性能差，其實際應用受到一定限制。

氮化物超高溫陶瓷

氮化物超高溫陶瓷如ZrN、HfN和TaN也有良好的性能。過渡金屬氮化物都有著較高熔點。然而，此類難熔氮化物的熔點還與環(huán)境氣壓有關，并不是所有難熔氮化物都適合在高溫高壓的氧化環(huán)境下工作。過渡金屬氮化物在切削工具表面硬化層上有著重要的應用。與超高溫硼化物和碳化物陶瓷相比，對于氮化物UHTCs抗氧化性能的研究相對較少。

參考資料：

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齊方方. 超高溫陶瓷基復合材料制備與性能的研究進展