張良

摘 要：當(dāng)今時代，無論是超音速飛行器的設(shè)計(jì)還是運(yùn)載飛船應(yīng)用領(lǐng)域的研究，對新材料的需求日益增強(qiáng)。普通材料很難在這種高強(qiáng)度環(huán)境下穩(wěn)定工作，而超高溫陶瓷材料出現(xiàn)，使我們不僅看到了他在極端環(huán)境中的穩(wěn)定性，而且其物理性能和化學(xué)性能方面所具備的優(yōu)勢也顯露出來，因此成為了這一領(lǐng)域最有應(yīng)用前景的新材料。本文分析了超高溫陶瓷材料的研究現(xiàn)狀，對超高溫材料的體系、合成以及材料涂層等方面分別作了評述，并發(fā)現(xiàn)存在的部分問題，進(jìn)而表明超高溫陶瓷基涂層材料在未來將具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：超高溫陶瓷；復(fù)合材料；新材料應(yīng)用

引言

超高溫陶瓷指的是能夠在1800℃以上的高溫環(huán)境中正常工作，并具備優(yōu)秀的抗氧化性和抗震性的陶瓷基新型復(fù)合材料。在航空航天工作中，飛行器需要完成長時間超音速飛行、火箭高速推進(jìn)、突破和再入大氣層等任務(wù)，這就需要超高溫陶瓷材料的加入，這種材料一般被應(yīng)用在飛行器機(jī)翼、發(fā)動機(jī)熱端以及機(jī)艙頭部等關(guān)鍵部位和其他關(guān)鍵的零部件。超高溫陶瓷材料將來會得到越來越廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，針對這種新材料展開的研究可以幫助我們實(shí)現(xiàn)航空航天領(lǐng)域發(fā)展的巨大進(jìn)步。

一、超高溫陶瓷材料研究背景

近日，隨著最后一塊反射面的安裝完成，位于貴州黔南州的世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡的主體工程順利完工，這是我國航空航天事業(yè)的巨大進(jìn)步，標(biāo)志著我們在探索太空的旅途上更近了一步。而這只能說是探索宇宙的天眼條件，我們能夠發(fā)現(xiàn)其他星系和其中存在的深空物質(zhì)，但是我們更需要能夠直接到達(dá)宇宙空間的航天器來幫助我們更加直接的從太空帶回真實(shí)的物質(zhì)樣本，供科研工作者進(jìn)行分析檢測，這能夠幫助我們直觀的分析宇宙。就像著名科幻小說家劉慈欣先生說的那樣，人類探索宇宙的過程中使用航天器飛行的關(guān)鍵操作是要擺脫地心引力，克服尤其造成的引力井對飛行器運(yùn)動產(chǎn)生的干擾，人類為了擺脫航天飛行中遇到的引力深井作出了各種各樣的努力，為此付出了巨大的代價。經(jīng)過不斷地探索研究，科研工作者漸漸認(rèn)識到要想逃出地球的引力深井，必須使飛行器達(dá)到足夠的速度，這就對飛行器的使用材料提出來更高的要求。

航空器在太空環(huán)境工作的過程中，航天器進(jìn)入太空有去路自然得有歸途，返回地球的過程將會使航空器面臨巨大的考驗(yàn)，返程的航空器在飛行中需穿越稠密的大氣層，這個過程類似于跳水運(yùn)動員高空入水的過程。不同的是，運(yùn)動員在10m跳臺上起跳入水時，其速度基本在14m/s左右。而飛行器進(jìn)入大氣層的速度則特別快，如航天飛機(jī)從大氣層外進(jìn)入時，高度達(dá)到100km時的飛行速度就能達(dá)到7800m/s，這兩種情況間的差異對比后我們可以得知，盡管空氣的密度要比水小很多，但是在飛行過程中，當(dāng)飛行器達(dá)到一定的速度之后，根據(jù)現(xiàn)有科學(xué)研究表明，其對飛行器表面摩擦力產(chǎn)生的影響是巨大的，飛行器表面摩擦產(chǎn)生的熱及作用力與飛行速度成指數(shù)關(guān)系，這將使表面溫度發(fā)生迅速變化，雖然是進(jìn)入空氣之中，但其作用力不容小視，速度所帶來的影響尤其顯著。在這種極端的溫度環(huán)境下，很難有材料能夠滿足航天科研工作的要求，因此我們需要一種可以耐高溫和燒蝕并具有高強(qiáng)度的新型材料，還要有一定的穩(wěn)定性，超高溫陶瓷復(fù)合材料的出現(xiàn)使我們看到了希望。

二、超高溫陶瓷材料性能

超高溫陶瓷材料最早由美國空軍開發(fā)，主要指的是在高溫以及其他極端惡劣的環(huán)境中可以發(fā)揮自身性能并能夠保持化學(xué)穩(wěn)定的一種特殊材料，這種材料的組成通常包括硼化物、碳化物、氧化物在內(nèi)的一些高熔點(diǎn)過渡金屬化合物。這些高熔點(diǎn)化合物組成的多元復(fù)合陶瓷材料統(tǒng)稱為超高溫陶瓷材料。在自然界中，每一種化合物都有其自身的熔點(diǎn)，其中熔點(diǎn)較高的被統(tǒng)稱為高熔點(diǎn)化合物，在高熔點(diǎn)化合物中熔點(diǎn)最高的一類是碳化物，其次屬硼化物熔點(diǎn)較高。超高溫陶瓷材料就是由碳化物和硼化物按照一定的比例組合而成，其中的大多數(shù)化合物超高溫陶瓷的熔點(diǎn)均高于3000℃，在實(shí)驗(yàn)過程中具有良好的物理性能和極其優(yōu)異的物理穩(wěn)定性，不僅表現(xiàn)出了高硬度和抗震性能，并能在高溫下保持很高的強(qiáng)度，是超高溫作業(yè)下最有潛力的新型候選材料。在高溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，復(fù)合材料主要靠硼化物和碳化物提供抗氧化保護(hù)層，這些材料在工作中遇到較低氧分壓下，材料表面將形成大量不按化學(xué)計(jì)量形成的各種氧化物，從而使其形成大量的氧空位，使得氧化還原反應(yīng)中所需要的氧可以在碳化物和硼化物中迅速傳輸。這種化合物陶瓷氧化后會在其表面形成相應(yīng)的氧化物，對內(nèi)部材料形成保護(hù)層。

在研究超高溫陶瓷材料的組成成分時，不能忽略原料的純度和粒度對超高溫陶瓷材料產(chǎn)生的影響，不同純度和顆粒形態(tài)的陶瓷材料的燒結(jié)性能和高溫環(huán)境之間存在密切聯(lián)系。在制備過程中，為生產(chǎn)不同組合形態(tài)的復(fù)合材料而殘留的雜質(zhì)或工藝過程加入的添加劑，能與超高溫陶瓷化合物形成低熔點(diǎn)產(chǎn)物，在很大程度上會對高溫性能產(chǎn)生不利影響。在反應(yīng)過程中會對復(fù)合材料的燒結(jié)性產(chǎn)生影響，實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的超細(xì)陶瓷粉體可以提高其燒結(jié)性能。因此，新材料制備領(lǐng)域中的重要任務(wù)就是致力于發(fā)展高純、超細(xì)的超高溫陶瓷粉體合成技術(shù)，這也是制備高性能超高溫陶瓷材料的基礎(chǔ)。在美國，就曾有實(shí)驗(yàn)學(xué)者進(jìn)行了碳化鋯和碳化鉿的碳熱還原合成，他們進(jìn)過準(zhǔn)確的計(jì)算，利用當(dāng)時最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備在1500℃以下的環(huán)境中成功合成了粒徑在50納米左右的粉體，這是新材料研制領(lǐng)域的一大進(jìn)步。在我國，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)采用化學(xué)反應(yīng)合成法在600℃下成功合成了粒徑為25納米的硼化鉿粉體，超越了美國科學(xué)家所取得的成績，但是我國科研工作者對新材料研發(fā)的腳步從未停止，國防科技大學(xué)也相繼進(jìn)行了硼化鉿粉體的低溫合成研究，繼續(xù)探索著新型復(fù)合材料的成分。

三、超高溫陶瓷材料及涂層應(yīng)用

從材料種類來看，復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高以及良好的燒蝕性等特點(diǎn)，從室溫至2000℃范圍內(nèi)，復(fù)合材料的強(qiáng)度隨溫度升高而增加，溫度繼續(xù)升高時仍能保持較高的強(qiáng)度。與許多金屬合金和陶瓷基復(fù)合材料相比，復(fù)合材料的強(qiáng)度更高，但其作為高溫結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用極為有限，這是因?yàn)樵谘趸h(huán)境中其使用效果非常差，因此，開發(fā)出可靠的氧化保護(hù)系統(tǒng)對充分發(fā)揮復(fù)合材料的全部潛能非常重要。為此許多科研機(jī)構(gòu)通過減少碳來源材料中的雜質(zhì)并增加石墨化程度以及采用氧化保護(hù)涂層可抑制氧化。

研發(fā)新型超高溫氧化涂層是新材料研究的關(guān)鍵，它可以保證復(fù)合材料在極端環(huán)境中不發(fā)生根本性能的大幅度變化，保證材料具有工作所需的穩(wěn)定性，這也是日后進(jìn)行必要的外太空實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)。為了設(shè)計(jì)出可靠的、能長時間抗氧化防護(hù)的涂層體系，涂層必須要提供有效的阻擋層來阻止氧向內(nèi)擴(kuò)散，同時涂層必須有低蒸發(fā)性能以防止其在高速氣流中過度燒蝕。從內(nèi)部材料強(qiáng)度和承受能力看，涂層與基體之間要有良好的結(jié)合性能，內(nèi)層也必須能阻止碳向外擴(kuò)散并至少達(dá)到阻止碳與外層氧化物接觸發(fā)生碳還原反應(yīng)的程度，也要保證所有的界面必須要有化學(xué)相容性，涂層與基體之間有良好的相容性。

四、結(jié)語

超高溫陶瓷材料將是今后研究的重點(diǎn)，將納米和涂層技術(shù)引入超高溫陶瓷材料研究，材料經(jīng)過復(fù)合之后，強(qiáng)度和韌性將會得到顯著改進(jìn)，有望從根本上解決復(fù)合材料的脆性。研究硼化物、碳化物抗氧化能力的作用，并深入研究難熔金屬添加劑的最佳量也是未來研究的重要方向。同時開發(fā)低成本的工藝和生產(chǎn)技術(shù)，減少制備周期進(jìn)一步提高超高溫材料的各項(xiàng)性能也很重要。通過實(shí)驗(yàn)建立和完善超高溫材料各項(xiàng)性能指標(biāo)的測試、表征技術(shù)和評價標(biāo)準(zhǔn)，建立有關(guān)超高溫材料的數(shù)據(jù)庫也是日后的研究目標(biāo)。超高溫陶瓷基復(fù)合材料由于具有潛在的高溫綜合性能優(yōu)異的特點(diǎn)，是未來超高溫領(lǐng)域很有前途的材料，對其開展包括材料體系、粉體合成、及涂層有關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)研究和科學(xué)技術(shù)研究，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

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