超高温陶瓷复合材料的研究进展

  本文关键词：超高温陶瓷复合材料的研究进展，由笔耕文化传播整理发布。

2015年 第60卷 第3期：257 ~ 266

专辑: 先进结构陶瓷材料

评 述

《中国科学》杂志社

SCIENCE CHINA PRESS

超高温陶瓷复合材料的研究进展

张幸红, 胡平*, 韩杰才, 孟松鹤, 杜善义

哈尔滨工业大学航天学院, 哈尔滨 150080 * 联系人, E-mail: huping@ 2014-05-14收稿, 2014-08-20接受

国家自然科学基金(51202048, 91216301, 11121061)资助

摘要 超高温陶瓷复合材料主要由ZrB2, ZrC, HfB2, HfN, HfC, TaC等过渡族难熔硼化物、碳化物和氮化物组成, 这些材料的熔点高于3000℃, 是一类非常重要的高温结构材料, 近年来在基础研究和技术应用方面均受到了极大的关注. 在超高温陶瓷复合材料家族中, ZrB2-SiC良和HfB2-SiC基超高温陶瓷复合材料因具有优异的综合性能, 包括优异的抗氧化/烧蚀性能、好的高温强度保持率和适中的抗热冲击性能, 可以在2000℃以上的氧化环境中长时间使用. 这些独特的性能使得它们成为高超音速飞行、再入大气层和火箭推进等极端环境下使用的最有前景的候选材料. 本文对超高温陶瓷复合材料的制备、力学性能、抗热冲击性能、抗氧化/烧蚀性能和热响应进行了全面的综述. 对超高温陶瓷复合材料组分、微结构和性能之间的关系进行了详细的讨论, 同时添加剂对材料性能的影响也进行了讨论, 这为超高温陶瓷复合材料在特定使用环境的综合性能的优化提供了有效的设计原则和方法. 此外, 本文还指出了超高温陶瓷复合材料目前存在的挑战, 并对未来的发展趋势作了展望.

关键词

超高温陶瓷材料

ZrB2 HfB2

力学性能 抗热冲击 氧化 烧蚀

超高温陶瓷复合材料主要包括一些过渡族金属的难熔硼化物、碳化物和氮化物, 如ZrB2, HfB2, TaC, HfC, ZrC, HfN等, 它们的熔点均在3000℃以上[1,2]. 在这些超高温陶瓷中, ZrB2和HfB2基超高温陶瓷复合材料具有较高的热导率、适中的热膨胀系数和良好的抗氧化烧蚀性能, 可以在2000℃以上的氧化环境中实现长时间非烧蚀, 是一种非常有前途的非烧蚀型超高温防热材料, 可用于再入飞行器、大气层内高超声速飞行器的鼻锥、前缘以及发动机燃烧室的关键热端部件, 对提升高速飞行器气动性能、控制能力、飞行效率等方面将具有贡献, 国内外对这种材料的基础和应用研究也非常重视, 投入了大量的人力、物力和财力, 并实施了一系列的重大计划, 取得了显著的成果.

20世纪60年代末开始了对这种材料的研究, 但

因原材料的纯度不够很难获得性能优异的超高温陶瓷复合材料而被迫放弃. 由于没有找到更合适的超高温防热结构材料, 在放弃了30年后又重新开始了这类材料的研究, 并得到了国际材料界的广泛关注[1], 到目前为止发表超高温陶瓷复合材料相关的论文超过1400篇, 主要集中在超高温陶瓷复合材料的制备、力学性能和抗氧化烧蚀性能方面. 另外, 超高温陶瓷复合材料的热响应也得到了学者的关注. 本文从这几个方面对超高温陶瓷复合材料进行全面的综述, 揭示了超高温陶瓷复合材料组分、微结构和性能之间的关系, 分析了添加剂对超高温陶瓷复合材料性能的影响, 为超高温陶瓷复合材料在特定使用环境的综合性能的优化提供了有效的设计原则和方法. 此外, 本文还指出了超高温陶瓷复合材料目前存在的挑战, 并对未来的发展趋势作了展望.

引用格式: 张幸红, 胡平, 韩杰才, 等. 超高温陶瓷复合材料的研究进展. 科学通报, 2015, 60: 257–266

Zhang X H, Hu P, Han J C, et al. Research progress on ultra-high temperature ceramic composites (in Chinese). Chin Sci Bull, 2015, 60: 257–266, doi: 10.1360/N972014-00456

  本文关键词：超高温陶瓷复合材料的研究进展，由笔耕文化传播整理发布。