超高溫陶瓷材料（Ultrahigh-Temperature Ceramics,簡(jiǎn)稱(chēng)UHTCs）最早由美國(guó)空軍開(kāi)發(fā)，主要指高溫環(huán)境（2000℃以上）和反應(yīng)氣氛中（如原子氧環(huán)境）能夠保持化學(xué)穩(wěn)定的一種特殊材料，通常包括硼化物、碳化物、氧化物在內(nèi)的一些高熔點(diǎn)過(guò)渡金屬化合物，由上述化合物組成的多元復(fù)合陶瓷材料統(tǒng)稱(chēng)為超高溫陶瓷材料。

    1 大背景

    近日，隨著最后一塊反射面吊裝完成，位于貴州省黔南州平塘縣大窩函的世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）的主體工程終于順利完工，這意味著中國(guó)將在探索太空的旅途上更進(jìn)一步。盡管具備天眼條件，能夠發(fā)現(xiàn)深空物質(zhì)與星系，但未來(lái)我們的航天器能進(jìn)入太空帶回真實(shí)樣本以供分析測(cè)試更能幫助我們直觀分析宇宙誕生的歷史。正如科幻作家劉慈欣先生所說(shuō)，人類(lèi)航天器太空飛行最關(guān)鍵的便是克服“引力深井”，而跳出深井往往需要付出巨大代價(jià)，只有在飛行器獲取足夠的速度后才能逃逸地球的引力井。

    有去路自然得有歸途，航天器在返回地球的過(guò)程中需穿越稠密的大氣層，這個(gè)過(guò)程類(lèi)似于跳水運(yùn)動(dòng)員高空入水過(guò)程。運(yùn)動(dòng)員10m跳臺(tái)入水速度基本在14m/s左右，而再入飛行器進(jìn)入大氣層的速度則特別快，如航天飛機(jī)再入大氣層高度100km時(shí)的飛行速度達(dá)到7800m/s，此間差異對(duì)比可知。盡管空氣的密度要比水小很多，但是在飛行過(guò)程中飛行器表面摩擦產(chǎn)生的熱及作用力與飛行速度成指數(shù)關(guān)系，速度所帶來(lái)的影響尤其顯著。

    因此對(duì)于高馬赫數(shù)飛行的航天器而言，如何克服飛行中的熱量至關(guān)重要，目前飛行器的防熱技術(shù)主要通過(guò)燒蝕材料的質(zhì)量損失和化學(xué)變化來(lái)帶走熱量。對(duì)于航天器頭部及翼前緣等部位，其溫度往往達(dá)2000℃以上，需要特殊材料以滿(mǎn)足其防熱及承載的需求。該類(lèi)局部結(jié)構(gòu)通常采用碳/碳復(fù)合材料，但碳/碳類(lèi)材料在有氧條件下往往燒蝕比較嚴(yán)重，抗氧化能力較弱，而目前國(guó)內(nèi)外也通過(guò)各種手段制備了一些抗氧化碳/碳復(fù)合材料。與此同時(shí)，能夠適應(yīng)上述極端條件的另一個(gè)材料體系也逐步受到廣泛關(guān)注，它便是超高溫陶瓷材料。

    2 何謂超高溫陶瓷材料

    超高溫陶瓷材料（Ultrahigh-Temperature Ceramics,簡(jiǎn)稱(chēng)UHTCs）最早由美國(guó)空軍開(kāi)發(fā)，主要指高溫環(huán)境（2000℃以上）和反應(yīng)氣氛中（如原子氧環(huán)境）能夠保持化學(xué)穩(wěn)定的一種特殊材料，通常包括硼化物、碳化物、氧化物在內(nèi)的一些高熔點(diǎn)過(guò)渡金屬化合物，由上述化合物組成的多元復(fù)合陶瓷材料統(tǒng)稱(chēng)為超高溫陶瓷材料。這些高熔點(diǎn)過(guò)渡金屬化合物中，TaC、ZrB2、HfB2、HfC等的熔點(diǎn)超過(guò)了3000℃，從而使得它們?cè)跇O端高溫條件下具有很大的應(yīng)用潛力。

    ZrB2和HfB2等超高溫陶瓷材料最初被作為核反應(yīng)堆材料進(jìn)行研究，上世紀(jì)60年代美國(guó)ManLabs相關(guān)工作表明這類(lèi)材料在鼻錐和尖翼前緣具有較大應(yīng)用潛力。90年代美國(guó)實(shí)行SHARP計(jì)劃，采用民兵III搭載考核了HfB2/SiC、ZrB2/SiC、ZrB2/SiC/C三種超高溫陶瓷材料。材料回收后發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)裂紋，分析后認(rèn)為材料內(nèi)部顆粒團(tuán)聚缺陷是導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋的重要現(xiàn)象，此次飛行試驗(yàn)也再一次證明超高溫陶瓷材料在極端高溫環(huán)境下具有很大潛力。

    3 研究熱點(diǎn)

    超高溫陶瓷材料目前更多工作依舊處于基礎(chǔ)研究和機(jī)理探索階段，研究?jī)?nèi)容主要集中在以下四個(gè)方面：1）材料的制備技術(shù)研究；2）材料的力學(xué)性能；3）材料的抗熱沖擊性能；4）材料抗氧化/燒蝕性能和熱響應(yīng)。在超高溫陶瓷材料的研制過(guò)程中，學(xué)者們首先對(duì)ZrB2和HfB2基陶瓷復(fù)合材料給予了極大的關(guān)注，大部分的研究工作也基于上述材料，當(dāng)然也有一些學(xué)者對(duì)TaC、HfC等材料進(jìn)行了相關(guān)研究。

    3.1 材料制備技術(shù)研究

    目前超高溫陶瓷材料的主要制備工藝包括熱壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、無(wú)壓燒結(jié)及其它燒結(jié)方式。其中，熱壓燒結(jié)（Hot-Pressing）是使用最廣泛的燒結(jié)方式，即在材料高溫?zé)Y(jié)的同時(shí)對(duì)其施加一定的壓力，從而實(shí)現(xiàn)材料的致密化。熱壓燒結(jié)又包括高溫低壓燒結(jié)（1900℃以上，壓力20～30MPa）和低溫高壓燒結(jié)（溫度<1800℃，壓力>800MPa）兩種方式。放電等離子燒結(jié)（Spark Plasma Sintering）本質(zhì)上是一種熱壓燒結(jié)，盡管該工藝報(bào)道較多，但目前該工藝尚處于機(jī)制研究階段，同時(shí)其設(shè)備昂貴和燒結(jié)成本高等因素也制約了其普及范圍。

    隨著技術(shù)的進(jìn)步和研究人員對(duì)陶瓷材料燒結(jié)機(jī)理的深度理解，催生了新一代的無(wú)壓燒結(jié)技術(shù)。該技術(shù)最初建立在干壓或者冷等靜壓成型的基礎(chǔ)上，需要燒結(jié)助劑來(lái)增強(qiáng)燒結(jié)效果，后續(xù)為了實(shí)現(xiàn)凈尺寸成型又發(fā)展了膠態(tài)成型等。楊汝杰、屈強(qiáng)和杜爽等針對(duì)上述各材料制備技術(shù)及其特點(diǎn)作了較為詳細(xì)的匯總和分析。

    3.2 材料力學(xué)性能研究

    超高溫陶瓷材料的力學(xué)性能主要包括彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。微觀結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)材料力學(xué)性能與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成部分關(guān)系較大，宏觀力學(xué)性能的影響因素主要體現(xiàn)在材料致密度、晶粒尺寸、第二相或燒結(jié)助劑的含量和種類(lèi)等。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者在該領(lǐng)域做出了很多工作，包括Chamberlain、Rezaie、Watts等，航天703所郭強(qiáng)強(qiáng)等曾對(duì)此進(jìn)行了較為詳細(xì)的總結(jié)。

    3.3 材料抗熱沖擊性能

    航天飛行器翼前緣等處在飛行過(guò)程中可能出現(xiàn)溫度突然升高的情況，從而導(dǎo)致該部位的熱應(yīng)力往往也較大。一旦材料在熱應(yīng)力條件下產(chǎn)生裂紋，或者在初始狀態(tài)便存在細(xì)小裂紋，則裂紋在熱震的情況下很容易出現(xiàn)擴(kuò)散，表現(xiàn)為陶瓷材料的脆性特點(diǎn)。因此，該類(lèi)材料在工程應(yīng)用前需對(duì)其抗熱沖擊性能進(jìn)行充分研究和分析。目前，陶瓷材料的抗熱震性能主要通過(guò)水淬法進(jìn)行，根據(jù)臨界熱震溫差來(lái)表征材料的抗熱震性能優(yōu)劣。

    3.4 材料抗氧化/燒蝕性能

    單相的ZrB2（或HfB2）在1200℃以下具有良好的抗氧化性能，材料在溫度逐漸升高的過(guò)程中通過(guò)生成B2O3液態(tài)玻璃相來(lái)發(fā)揮抗氧化作用。而材料在1200℃以上后，B2O3因迅速蒸發(fā)而喪失抗氧化作用，導(dǎo)致ZrB2（或HfB2）出現(xiàn)快速氧化的現(xiàn)象。為此，一些學(xué)者嘗試加入第二相（如SiC等）來(lái)改善材料的抗氧化性能，含Si第二相的加入能使得材料在1200℃以上的高溫環(huán)境下生成SiO2液態(tài)玻璃相覆蓋于材料表面，從而提高材料的抗氧化性能。

    美國(guó)空軍曾對(duì)ZrB2和HfB2化合物抗氧化性進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明體積含量20%的第二相SiC對(duì)高超音速飛行器是最佳的。與此同時(shí)，添加C可以提高材料抵抗熱應(yīng)力的能力，但隨C含量的增加材料的抗氧化能力在逐漸降低。其它研究者也對(duì)其它復(fù)合相的加入進(jìn)行了大量研究，引入的復(fù)合相化合物包括Ta、Nb、W、Mo、Zr及其氧化物等。美國(guó)NASA的艾姆斯研究中心（Ames Research Center）在該領(lǐng)域曾作了許多重要工作，擁有扎實(shí)的基礎(chǔ)。

    4 研究單位

    目前國(guó)內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)對(duì)超高溫陶瓷材料進(jìn)行了大量研究，據(jù)公開(kāi)文獻(xiàn)資料顯示，從事相關(guān)研究工作的單位如下：

    ZrB2基陶瓷：NASA艾姆斯和格倫研究中心、美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室、伊利諾伊香檳分校、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、美國(guó)水面作戰(zhàn)中心、日本國(guó)立材料研究所，英國(guó)倫敦帝國(guó)大學(xué)、韓國(guó)材料研究所、意大利陶瓷科技研究所、美國(guó)密蘇里科技大學(xué)；

    HfB2基陶瓷：美國(guó)艾姆斯研究中心、意大利陶瓷科技研究所；

    纖維增強(qiáng)超高溫陶瓷：中科院沈陽(yáng)分院、美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室。

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