中國粉體網(wǎng)訊 近日，據(jù)央視報道，我國正在攻關的JF-22超高速風洞，是研制新一代飛行器的搖籃，預計2022年建成。它可以復現(xiàn)40到100公里高空、速度約30倍聲速的飛行條件。超高速風洞為飛行器的高聲速飛行提供了必要條件，但由于高聲速飛行器機體表面溫度隨著速度的提高而提高，在高速飛行時往往能夠達到2000℃甚至3000℃，因此對超高溫材料的性能提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。
圖片來源：央視軍事
1 為什么選擇超高溫陶瓷材料？
現(xiàn)有的高溫合金材料密度大、成本高，抗氧化性能差；Cf/SiC復合材料由于基體活性氧化長時間使用不能超過1650℃；C/C復合材料雖然具有輕質(zhì)的特點，但無保護層時超過500℃即開始急劇氧化。因此，前述熱防護材料體系已不能滿足高超聲速飛行器熱防護系統(tǒng)的需要，超高溫陶瓷材料以其優(yōu)異的綜合性能有望成為新一代高溫熱防護材料，是目前高溫熱防護材料的研究前沿。目前效果比較好的，已經(jīng)應用的主要是超高溫陶瓷材料。
2 什么是超高溫陶瓷？
超高溫陶瓷是指在高溫環(huán)境下（2000℃）以及反應氣氛中（例如在原子氧環(huán)境中）能夠保持物理與化學穩(wěn)定性的一種特殊材料，是具有優(yōu)良的高溫力學性能、高溫抗氧化性和抗熱震性的陶瓷基復合材料。
超高溫陶瓷主要是由高熔點硼化物與碳化物組成，主要包括硼化鉿（HfB2）、硼化鋯（ZrB2）、碳化鉿（HfC）、碳化鋯（ZrC）、碳化鉭（TaC）等。硼化物、碳化物超高溫陶瓷的熔點均超過3000℃，具有優(yōu)良的熱化學穩(wěn)定性和優(yōu)異的物理性能，包括高彈性模量、高硬度、低飽和蒸汽壓、適中的熱膨脹率和良好抗熱震性能等，并且能在高溫下保持很高的強度。表1是常見的超高溫陶瓷的熱物理性能。
表1 常見超高溫陶瓷的性能
超高溫陶瓷能夠適應超高音速長時飛行、大氣層再入、跨大氣層飛行與火箭推進系統(tǒng)等極端環(huán)境，可以應用于飛行器鼻錐、機翼前緣、發(fā)動機熱端等各種關鍵部件。作為應用在航空航天飛行器上的重要材料，超高溫陶瓷材料得到各國的高度關注。
3 超高溫陶瓷分類
超高溫陶瓷主要分為硼化物超高溫陶瓷、碳化物超高溫陶瓷兩大類，以下對其進行簡要介紹。
3.1 硼化物超高溫陶瓷
超高溫硼化物主要有硼化鉿（HfB2）、硼化鋯（ZrB2）、硼化鉭（TaB2）和硼化鈦（TiB2）等，目前對硼化鋯（ZrB2）和硼化鉿（HfB2）的研究最為集中。
硼化物超高溫陶瓷（UHTCs）由較強的共價鍵構成，具有高熔點、高硬度、高強度、低蒸發(fā)率、高熱導率與電導率等特點，但共價鍵較強的特性導致了其具有難以燒結和致密化的缺點。為了改善其燒結性能，提高致密度，可以通過提高反應物的表面能、降低生成物的晶界能、提高材料的體擴散率、加快物質(zhì)的傳輸速率以及提高傳質(zhì)動力學等方法來解決。
3.2 碳化物超高溫陶瓷
碳化物超高溫陶瓷具有高熔點、高強度、高硬度及良好的化學穩(wěn)定性，是應用廣泛的超高溫陶瓷材料，目前常用的碳化物超高溫陶瓷主要包括碳化硅（SiC）、碳化鋯（ZrC）、碳化鉭（TaC）和碳化鉿（HfC）。
碳化鉿（HfC）、碳化鋯（ZrC）和碳化鉭（TaC）的熔點與其氧化物相比高得多，不經(jīng)歷任何固相相變，具有較好的抗熱震性能，在高溫下仍具有較高的強度。但是，這類碳化物超高溫陶瓷的斷裂韌性和抗氧化性相對較低，通常采用纖維進行增強增韌。
碳氧化物的燒結性、致密程度等對氧的擴散有很大影響。硼硅玻璃與金屬碳氧化物相比相對致密，對氧的擴散有更好的抑制作用。這也是迄今為止，摻硅硼化物超高溫陶瓷得到廣泛研究的原因之一。
4 超高溫陶瓷基復合材料制備
制備碳化物、硼化物超高溫陶瓷基復合材料的方法主要為燒結致密化工藝，包括熱壓燒結(HP)、反應熱壓燒結(ＲHP)、無壓燒結(PS)和放電等離子燒結(SPS)等。
4.1 熱壓燒結(HP)
熱壓燒結(HP)是將原料粉體填充進模具內(nèi)，從單軸方向同時進行加壓、加熱的燒結方法，又可分為真空熱壓、氣氛熱壓、熱等靜壓、振動熱壓、均衡熱壓、超高壓燒結等。
熱壓時，粉體處于熱塑性狀態(tài)，形變阻力較小，易于塑性流動和致密化，所需成型壓力較小。同時加熱、加壓有助于粉體顆粒的接觸和擴散、流動等傳質(zhì)過程，降低燒結溫度和縮短燒結時間，從而抑制了晶粒的長大。熱壓法能生產(chǎn)形狀較復雜、尺寸較精確的產(chǎn)品，但是，熱壓燒結受粉體純度影響增大，雜質(zhì)會引起晶粒異常長大，容易出現(xiàn)微裂紋，且生產(chǎn)率較低，成本較高。為了降低燒結溫度，粉體粒度要盡量小，同時需要加入合適的燒結助劑。
4.2 反應熱壓燒結(ＲHP)
反應熱壓燒結(ＲHP)是利用原料之間的化學反應并結合熱壓燒結工藝形成的一種燒結工藝。ＲHP的燒結溫度較低，材料致密度高，無需進行粉體制備，成本相對較低。ＲHP主要包含原位反應和燒結致密化這2個過程。通常使用前驅(qū)體粉體Zr、B4C和Si的原位反應來制備超高溫陶瓷材料。
4.3 無壓燒結(PS)
無壓燒結(PS)是在常壓下對原料進行加熱成型，是一種最簡單的燒結方法，適用于不同形狀、尺寸構件的制備，溫度便于控制，但是得到的材料致密度較低，原料粒度和燒結助劑對材料致密度的影響很大。
4.4 放電等離子燒結(SPS)
放電等離子燒結(SPS)是將高能脈沖電流通入裝有粉體的模具上，在粉體顆粒間產(chǎn)生等離子體放電進行加熱燒結，是一種燒結溫度低、速度快、致密化程度高的燒結工藝，缺點是制備的樣品形狀簡單、體積較小。
5 結語
超高溫陶瓷基復合材料因其優(yōu)異的綜合性能，在航空航天和武器裝備領域具有極好的發(fā)展前景，現(xiàn)階段對于超高溫陶瓷基復合材料的力學性能、抗氧化燒蝕性能、抗熱沖擊性能以及微觀結構及性能機理的研究已經(jīng)充分證明其在高溫結構材料中的特殊地位，但是還有大量未知的機理與性能需要探索，許多實際應用的問題需要克服。對于超高溫陶瓷材料的研究雖道阻且長，但行則將至！
參考文獻：
【1】楊路平，等.超高溫材料的研究進展.佛山陶瓷.2017.
【2】嚴春雷，等.超高溫陶瓷材料研究進展.硅酸鹽通報.2017.
【3】齊方方，等.超高溫陶瓷基復合材料制備與性能的研究進展.濟南大學學報.2019.
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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