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超高温陶瓷——陶瓷界的贵族

日期: 2018-11-08
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超高温陶瓷是指能在1800℃以上应用,具有相当优良的高温抗氧化性和抗热震性的陶瓷基复合材料。超高温陶瓷能够适应超高音速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境,可用于飞行器鼻锥、机翼前缘、发动机热端等各种关键部位或部件。


超高温陶瓷主要是由高熔点硼化物和碳化物组成,其中HfB2、ZrB2、HfC、ZrC、TaC等硼化物、碳化物超高温陶瓷熔点都超过3000℃,无相变,具有优良的热化学稳定性和优异的物理性能,包括高弹性模量、高硬度、低饱和蒸汽压、高热导率和电导率、适中的热膨胀率和良好的抗热震性能等,并能在高温下保持很高的强度。


目前常用的超高温陶瓷主要有陶瓷基复合材料、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷和氮化物陶瓷。


陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料的研究主要集中在Cf/SiC及SiCf/SiC复合材料。中国科学院上海硅酸盐研究所的董绍明等尝试在PIP制备Cf/SiC、SiCf/SiC复合材料的过程中加入硼、铝等添加剂,达到了缩短PIP致密化时间、提高抗氧化能力和力学性能的效果。


碳化物超高温陶瓷

目前常用的碳化物超高温陶瓷主要包括SiC、ZrC、TaC和HfC。碳化物超高温陶瓷的研究主要集中在制备性能更好的层状碳化物超高温陶瓷,以及加入添加剂对陶瓷性能的影响等。Ma等采用热压烧结法制备的含20%SiC及10%石墨的ZrC-SiC-C陶瓷,其室温下弯曲强度达到了425MPa,并且在300℃热震后仍能保持约63.5%的原始强度。


硼化物超高温陶瓷

硼化物超高温陶瓷与碳化物和氮化物相比,拥有更加优异的抗氧化性能,近年来关于硼化物超高温陶瓷的研究主要集中在致密化工艺、力学性能的提高以及抗氧化行为等方面。硼化物超高温陶瓷主要包括ZrB2,TaB2和HfB2。Wang等使用原位反应热压法制备了ZrB2-SiC-ZrC复合材料,并研究了试样在1750℃下的静态等温氧化性能。


氮化物超高温陶瓷

氮化物超高温陶瓷的化学性质稳定,多以共价键为主,结构单元为四面体的M4N,类似于金刚石,也称为类金刚石化合物。应用较广泛的氮化物超高温陶瓷主要有Si3N4,BN和HfN等。Matsuoka等研究发现HfO2促进了Si3N4的致密化。Guo等发现在烧结助剂MgO-Lu2O3的作用下,在1500℃或低于1500℃的Ar气环境中可得到密实的Si3N4-ZrB2陶瓷。


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,对其开展基础材料科学研究和高端技术科学研究,具有重要的科学意义和应用价值。


超高温陶瓷——陶瓷界的贵族

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