超高溫環境下新型陶瓷材料研究及應用

張良

摘 要：當今時代，無論是超音速飛行器的設計還是運載飛船應用領域的研究，對新材料的需求日益增強。普通材料很難在這種高強度環境下穩定工作，而超高溫陶瓷材料出現，使我們不僅看到了他在極端環境中的穩定性，而且其物理性能和化學性能方面所具備的優勢也顯露出來，因此成為了這一領域最有應用前景的新材料。本文分析了超高溫陶瓷材料的研究現狀，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，并發現存在的部分問題，進而表明超高溫陶瓷基涂層材料在未來將具有良好的發展和應用前景。

關鍵詞：超高溫陶瓷；復合材料；新材料應用

引言

超高溫陶瓷指的是能夠在1800℃以上的高溫環境中正常工作，并具備優秀的抗氧化性和抗震性的陶瓷基新型復合材料。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、突破和再入大氣層等任務，這就需要超高溫陶瓷材料的加入，這種材料一般被應用在飛行器機翼、發動機熱端以及機艙頭部等關鍵部位和其他關鍵的零部件。超高溫陶瓷材料將來會得到越來越廣泛的應用和發展，針對這種新材料展開的研究可以幫助我們實現航空航天領域發展的巨大進步。

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鏡的主體工程順利完工，這是我國航空航天事業的巨大進步，標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，我們能夠發現其他星系和其中存在的深空物質，但是我們更需要能夠直接到達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的物質樣本，供科研工作者進行分析檢測，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動產生的干擾，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。經過不斷地探索研究，科研工作者漸漸認識到要想逃出地球的引力深井，必須使飛行器達到足夠的速度，這就對飛行器的使用材料提出來更高的要求。

航空器在太空環境工作的過程中，航天器進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，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動員高空入水的過程。不同的是，運動員在10m跳臺上起跳入水時，其速度基本在14m/s左右。而飛行器進入大氣層的速度則特別快，如航天飛機從大氣層外進入時，高度達到100km時的飛行速度就能達到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，當飛行器達到一定的速度之后，根據現有科學研究表明，其對飛行器表面摩擦力產生的影響是巨大的，飛行器表面摩擦產生的熱及作用力與飛行速度成指數關系，這將使表面溫度發生迅速變化，雖然是進入空氣之中，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度的新型材料，還要有一定的穩定性，超高溫陶瓷復合材料的出現使我們看到了希望。

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，主要指的是在高溫以及其他極端惡劣的環境中可以發揮自身性能并能夠保持化學穩定的一種特殊材料，這種材料的組成通常包括硼化物、碳化物、氧化物在內的一些高熔點過渡金屬化合物。這些高熔點化合物組成的多元復合陶瓷材料統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，其中熔點較高的被統稱為高熔點化合物，在高熔點化合物中熔點最高的一類是碳化物，其次屬硼化物熔點較高。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，其中的大多數化合物超高溫陶瓷的熔點均高于3000℃，在實驗過程中具有良好的物理性能和極其優異的物理穩定性，不僅表現出了高硬度和抗震性能，并能在高溫下保持很高的強度，是超高溫作業下最有潛力的新型候選材料。在高溫實驗環境中，復合材料主要靠硼化物和碳化物提供抗氧化保護層，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計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的氧化物，對內部材料形成保護層。

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生的影響，不同純度和顆粒形態的陶瓷材料的燒結性能和高溫環境之間存在密切聯系。在制備過程中，為生產不同組合形態的復合材料而殘留的雜質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產物，在很大程度上會對高溫性能產生不利影響。在反應過程中會對復合材料的燒結性產生影響，實驗過程中產生的超細陶瓷粉體可以提高其燒結性能。因此，新材料制備領域中的重要任務就是致力于發展高純、超細的超高溫陶瓷粉體合成技術，這也是制備高性能超高溫陶瓷材料的基礎。在美國，就曾有實驗學者進行了碳化鋯和碳化鉿的碳熱還原合成，他們進過準確的計算，利用當時最先進的實驗設備在1500℃以下的環境中成功合成了粒徑在50納米左右的粉體，這是新材料研制領域的一大進步。在我國，中國科學技術大學采用化學反應合成法在600℃下成功合成了粒徑為25納米的硼化鉿粉體，超越了美國科學家所取得的成績，但是我國科研工作者對新材料研發的腳步從未停止，國防科技大學也相繼進行了硼化鉿粉體的低溫合成研究，繼續探索著新型復合材料的成分。

三、超高溫陶瓷材料及涂層應用

從材料種類來看，復合材料具有重量輕、強度高以及良好的燒蝕性等特點，從室溫至2000℃范圍內，復合材料的強度隨溫度升高而增加，溫度繼續升高時仍能保持較高的強度。與許多金屬合金和陶瓷基復合材料相比，復合材料的強度更高，但其作為高溫結構材料的應用極為有限，這是因為在氧化環境中其使用效果非常差，因此，開發出可靠的氧化保護系統對充分發揮復合材料的全部潛能非常重要。為此許多科研機構通過減少碳來源材料中的雜質并增加石墨化程度以及采用氧化保護涂層可抑制氧化。

研發新型超高溫氧化涂層是新材料研究的關鍵，它可以保證復合材料在極端環境中不發生根本性能的大幅度變化，保證材料具有工作所需的穩定性，這也是日后進行必要的外太空實驗研究的基礎。為了設計出可靠的、能長時間抗氧化防護的涂層體系，涂層必須要提供有效的阻擋層來阻止氧向內擴散，同時涂層必須有低蒸發性能以防止其在高速氣流中過度燒蝕。從內部材料強度和承受能力看，涂層與基體之間要有良好的結合性能，內層也必須能阻止碳向外擴散并至少達到阻止碳與外層氧化物接觸發生碳還原反應的程度，也要保證所有的界面必須要有化學相容性，涂層與基體之間有良好的相容性。

四、結語

超高溫陶瓷材料將是今后研究的重點，將納米和涂層技術引入超高溫陶瓷材料研究，材料經過復合之后，強度和韌性將會得到顯著改進，有望從根本上解決復合材料的脆性。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。同時開發低成本的工藝和生產技術，減少制備周期進一步提高超高溫材料的各項性能也很重要。通過實驗建立和完善超高溫材料各項性能指標的測試、表征技術和評價標準，建立有關超高溫材料的數據庫也是日后的研究目標。超高溫陶瓷基復合材料由于具有潛在的高溫綜合性能優異的特點，是未來超高溫領域很有前途的材料，對其開展包括材料體系、粉體合成、及涂層有關的基礎科學研究和科學技術研究，具有重要的科學意義和應用價值。

參考文獻：

[1]張坤.超高溫陶瓷材料的抗熱震性能[J].材料實體學報，2016（09）：33-34.

[2]王裕.新型陶瓷基材料機理[J].復合材料技術專家，2015（05）：135-137.

[3]閆聯生.超高溫抗氧化復合材料研究進展[J].材料導報，2017（07）：45-46.

[4]湯素芳.超高溫防熱材料燒蝕機理[J].復合材料匯總，2016（10）：77-79