超高温环境下新型陶瓷材料研究及应用

张良

摘 要：当今时代，无论是超音速飞行器的设计还是运载飞船应用领域的研究，对新材料的需求日益增强。普通材料很难在这种高强度环境下稳定工作，而超高温陶瓷材料出现，使我们不仅看到了他在极端环境中的稳定性，而且其物理性能和化学性能方面所具备的优势也显露出来，因此成为了这一领域最有应用前景的新材料。本文分析了超高温陶瓷材料的研究现状，对超高温材料的体系、合成以及材料涂层等方面分别作了评述，并发现存在的部分问题，进而表明超高温陶瓷基涂层材料在未来将具有良好的发展和应用前景。

关键词：超高温陶瓷；复合材料；新材料应用

引言

超高温陶瓷指的是能够在1800℃以上的高温环境中正常工作，并具备优秀的抗氧化性和抗震性的陶瓷基新型复合材料。在航空航天工作中，飞行器需要完成长时间超音速飞行、火箭高速推进、突破和再入大气层等任务，这就需要超高温陶瓷材料的加入，这种材料一般被应用在飞行器机翼、发动机热端以及机舱头部等关键部位和其他关键的零部件。超高温陶瓷材料将来会得到越来越广泛的应用和发展，针对这种新材料展开的研究可以帮助我们实现航空航天领域发展的巨大进步。

一、超高温陶瓷材料研究背景

近日，随着最后一块反射面的安装完成，位于贵州黔南州的世界最大单口径射电望远镜的主体工程顺利完工，这是我国航空航天事业的巨大进步，标志着我们在探索太空的旅途上更近了一步。而这只能说是探索宇宙的天眼条件，我们能够发现其他星系和其中存在的深空物质，但是我们更需要能够直接到达宇宙空间的航天器来帮助我们更加直接的从太空带回真实的物质样本，供科研工作者进行分析检测，这能够帮助我们直观的分析宇宙。就像著名科幻小说家刘慈欣先生说的那样，人类探索宇宙的过程中使用航天器飞行的关键操作是要摆脱地心引力，克服尤其造成的引力井对飞行器运动产生的干扰，人类为了摆脱航天飞行中遇到的引力深井作出了各种各样的努力，为此付出了巨大的代价。经过不断地探索研究，科研工作者渐渐认识到要想逃出地球的引力深井，必须使飞行器达到足够的速度，这就对飞行器的使用材料提出来更高的要求。

航空器在太空环境工作的过程中，航天器进入太空有去路自然得有归途，返回地球的过程将会使航空器面临巨大的考验，返程的航空器在飞行中需穿越稠密的大气层，这个过程类似于跳水运动员高空入水的过程。不同的是，运动员在10m跳台上起跳入水时，其速度基本在14m/s左右。而飞行器进入大气层的速度则特别快，如航天飞机从大气层外进入时，高度达到100km时的飞行速度就能达到7800m/s，这两种情况间的差异对比后我们可以得知，尽管空气的密度要比水小很多，但是在飞行过程中，当飞行器达到一定的速度之后，根据现有科学研究表明，其对飞行器表面摩擦力产生的影响是巨大的，飞行器表面摩擦产生的热及作用力与飞行速度成指数关系，这将使表面温度发生迅速变化，虽然是进入空气之中，但其作用力不容小视，速度所带来的影响尤其显著。在这种极端的温度环境下，很难有材料能够满足航天科研工作的要求，因此我们需要一种可以耐高温和烧蚀并具有高强度的新型材料，还要有一定的稳定性，超高温陶瓷复合材料的出现使我们看到了希望。

二、超高温陶瓷材料性能

超高温陶瓷材料最早由美国空军开发，主要指的是在高温以及其他极端恶劣的环境中可以发挥自身性能并能够保持化学稳定的一种特殊材料，这种材料的组成通常包括硼化物、碳化物、氧化物在内的一些高熔点过渡金属化合物。这些高熔点化合物组成的多元复合陶瓷材料统称为超高温陶瓷材料。在自然界中，每一种化合物都有其自身的熔点，其中熔点较高的被统称为高熔点化合物，在高熔点化合物中熔点最高的一类是碳化物，其次属硼化物熔点较高。超高温陶瓷材料就是由碳化物和硼化物按照一定的比例组合而成，其中的大多数化合物超高温陶瓷的熔点均高于3000℃，在实验过程中具有良好的物理性能和极其优异的物理稳定性，不仅表现出了高硬度和抗震性能，并能在高温下保持很高的强度，是超高温作业下最有潜力的新型候选材料。在高温实验环境中，复合材料主要靠硼化物和碳化物提供抗氧化保护层，这些材料在工作中遇到较低氧分压下，材料表面将形成大量不按化学计量形成的各种氧化物，从而使其形成大量的氧空位，使得氧化还原反应中所需要的氧可以在碳化物和硼化物中迅速传输。这种化合物陶瓷氧化后会在其表面形成相应的氧化物，对内部材料形成保护层。

在研究超高温陶瓷材料的组成成分时，不能忽略原料的纯度和粒度对超高温陶瓷材料产生的影响，不同純度和颗粒形态的陶瓷材料的烧结性能和高温环境之间存在密切联系。在制备过程中，为生产不同组合形态的复合材料而残留的杂质或工艺过程加入的添加剂，能与超高温陶瓷化合物形成低熔点产物，在很大程度上会对高温性能产生不利影响。在反应过程中会对复合材料的烧结性产生影响，实验过程中产生的超细陶瓷粉体可以提高其烧结性能。因此，新材料制备领域中的重要任务就是致力于发展高纯、超细的超高温陶瓷粉体合成技术，这也是制备高性能超高温陶瓷材料的基础。在美国，就曾有实验学者进行了碳化锆和碳化铪的碳热还原合成，他们进过准确的计算，利用当时最先进的实验设备在1500℃以下的环境中成功合成了粒径在50纳米左右的粉体，这是新材料研制领域的一大进步。在我国，中国科学技术大学采用化学反应合成法在600℃下成功合成了粒径为25纳米的硼化铪粉体，超越了美国科学家所取得的成绩，但是我国科研工作者对新材料研发的脚步从未停止，国防科技大学也相继进行了硼化铪粉体的低温合成研究，继续探索着新型复合材料的成分。

三、超高温陶瓷材料及涂层应用

从材料种类来看，复合材料具有重量轻、强度高以及良好的烧蚀性等特点，从室温至2000℃范围内，复合材料的强度随温度升高而增加，温度继续升高时仍能保持较高的强度。与许多金属合金和陶瓷基复合材料相比，复合材料的强度更高，但其作为高温结构材料的应用极为有限，这是因为在氧化环境中其使用效果非常差，因此，开发出可靠的氧化保护系统对充分发挥复合材料的全部潜能非常重要。为此许多科研机构通过减少碳来源材料中的杂质并增加石墨化程度以及采用氧化保护涂层可抑制氧化。

研发新型超高温氧化涂层是新材料研究的关键，它可以保证复合材料在极端环境中不发生根本性能的大幅度变化，保证材料具有工作所需的稳定性，这也是日后进行必要的外太空实验研究的基础。为了设计出可靠的、能长时间抗氧化防护的涂层体系，涂层必须要提供有效的阻挡层来阻止氧向内扩散，同时涂层必须有低蒸发性能以防止其在高速气流中过度烧蚀。从内部材料强度和承受能力看，涂层与基体之间要有良好的结合性能，内层也必须能阻止碳向外扩散并至少达到阻止碳与外层氧化物接触发生碳还原反应的程度，也要保证所有的界面必须要有化学相容性，涂层与基体之间有良好的相容性。

四、结语

超高温陶瓷材料将是今后研究的重点，将纳米和涂层技术引入超高温陶瓷材料研究，材料经过复合之后，强度和韧性将会得到显著改进，有望从根本上解决复合材料的脆性。研究硼化物、碳化物抗氧化能力的作用，并深入研究难熔金属添加剂的最佳量也是未来研究的重要方向。同时开发低成本的工艺和生产技术，减少制备周期进一步提高超高温材料的各项性能也很重要。通过实验建立和完善超高温材料各项性能指标的测试、表征技术和评价标准，建立有关超高温材料的数据库也是日后的研究目标。超高温陶瓷基复合材料由于具有潜在的高温综合性能优异的特点，是未来超高温领域很有前途的材料，对其开展包括材料体系、粉体合成、及涂层有关的基础科学研究和科学技术研究，具有重要的科学意义和应用价值。

参考文献：

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