國防重材——超高溫陶瓷

　　隨著航空航天技術(shù)迅猛發(fā)展和實(shí)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(diǎn)領(lǐng)域。在長時(shí)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(guān)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(yīng)氣氛、機(jī)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(yīng)運(yùn)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(fù)合材料、C/C復(fù)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(hù)材料。C/C復(fù)合材料雖已用于導(dǎo)彈、航天飛機(jī)等領(lǐng)域，但其高溫下易發(fā)生氧化，限制了它在超高溫領(lǐng)域。陶瓷基復(fù)合材料，由于具有高熔點(diǎn)、高硬度、高熱導(dǎo)率和適中的熱脹系數(shù)，具有良好的抗燒蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性，被認(rèn)為是高超聲速飛行器和再入式飛行器關(guān)鍵等部位最具前途的熱防護(hù)材料。

　　超高溫陶瓷(UHTCs)通常指熔點(diǎn)超過3000℃，并在極端環(huán)境中保持穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)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(fù)合材料。

      UHTCs的生命周期一般包括兩個(gè)階段：制備和應(yīng)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(xué)反應(yīng)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(jié)等方法將硼化物粉體制備成塊體材料。在應(yīng)用階段，在由高溫、反應(yīng)氣氛、載荷、燒蝕等因素所構(gòu)成的極端環(huán)境下工作時(shí)，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(lǐng)域廣泛應(yīng)用必須具有較高熔點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)共價(jià)鍵，因而具有高熔點(diǎn)、高硬度、高強(qiáng)度、低蒸發(fā)率、高熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率等特點(diǎn)。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(yīng)用。

碳化物陶瓷

碳化物陶瓷中，能在超高溫下環(huán)境下應(yīng)用的有ZrC、HfC、TaC和TiC等。這類陶瓷有著非常高的熔點(diǎn)，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(qiáng)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(jià)格便宜且具有高熔點(diǎn)、高硬度、優(yōu)良導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等性能，是非常有前景的材料。純相ZrC在高溫時(shí)抗氧化性能較差，一般與其他材料復(fù)合使用。HfC陶瓷有較高的熔點(diǎn)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(diǎn)主要是抗氧化性能較差。TaC由于有著高熔點(diǎn)、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(dǎo)彈結(jié)構(gòu)材料、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是TaC本身韌性差、抗氧化性能差，其實(shí)際應(yīng)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(diǎn)。然而，此類難熔氮化物的熔點(diǎn)還與環(huán)境氣壓有關(guān)，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(yīng)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。

值的重要依據(jù)。