?高超聲速飛行器能夠突破現(xiàn)有的導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，對(duì)提升國(guó)家安全和威懾力具有重要意義。但其氣動(dòng)加熱現(xiàn)象嚴(yán)重，機(jī)翼前端溫度高達(dá)2000℃以上，在服役過(guò)程中極易發(fā)生災(zāi)難性損毀，傳統(tǒng)金屬材料逐漸無(wú)法滿足要求，因此發(fā)展新一代超高溫結(jié)構(gòu)材料迫在眉睫。

ZrB2的結(jié)構(gòu)與特性

ZrB2作為一種典型的超高溫陶瓷，具有熔點(diǎn)(3250℃)高、硬度(22GPa)高、熱導(dǎo)率(60W/(m·K))高以及熱膨脹系數(shù)(5.9×10-6K-1)低等特點(diǎn)，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，其應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域后受到廣泛關(guān)注。

ZrB2屬于六方晶系，其分子結(jié)構(gòu)如下圖所示。ZrB2兼具陶瓷和金屬的雙重特性，ZrB2晶體中離域大Ⅱ鍵中游離態(tài)電子的可遷移性賦予了ZrB2高電導(dǎo)率和優(yōu)良的導(dǎo)熱性，而B-B共價(jià)鍵和B-Zr離子鍵的強(qiáng)鍵性則賦予了ZrB2高硬度、高強(qiáng)度及優(yōu)良的高溫化學(xué)穩(wěn)定性。ZrB2陶瓷的優(yōu)異性能使其應(yīng)用于航空航天推進(jìn)系統(tǒng)的潛力巨大，是載人飛行器、大氣層內(nèi)高超聲速飛行器的鼻錐、前緣以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室關(guān)鍵熱端部件的理想材料。

我們需要怎樣的ZrB2粉體？

ZrB2高溫性能極為突出，但其燒結(jié)致密化困難制約了ZrB2陶瓷的應(yīng)用與發(fā)展。分子中強(qiáng)共價(jià)鍵合及低晶界擴(kuò)散速率使ZrB2粉體即使在高溫下也難以燒結(jié)致密化。研究發(fā)現(xiàn)，ZrB2粉體粒徑越小，燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力越大，且氧雜質(zhì)含量越低，燒結(jié)阻力越小，因此小粒徑、低氧含量的ZrB2粉體燒結(jié)活性較高。雖然通過(guò)研磨可減小粉體粒徑，但易引入新的雜質(zhì)，因此合成超細(xì)、低氧含量的ZrB2粉體對(duì)提高粉體燒結(jié)活性，以及進(jìn)而提升ZrB2陶瓷性能至關(guān)重要。

此外，ZrB2陶瓷固有脆性大(斷裂韌性3.5MPa·m1/2，抗彎強(qiáng)度565MPa)，對(duì)裂紋較為敏感，在服役過(guò)程中易發(fā)生災(zāi)難性斷裂。根據(jù)陶瓷基復(fù)合材料強(qiáng)韌化機(jī)理，在陶瓷基體中引入一維粉體(納微米桿、棒、纖維粉體)可有效橋接材料中的微裂紋，增加裂紋擴(kuò)展彈性應(yīng)變能消耗，提高材料韌性和強(qiáng)度；因此合成具有一定長(zhǎng)徑比的一維ZrB2粉體對(duì)于改善陶瓷脆性、提高材料服役性能意義重大。

ZrB2制備工藝

1、自蔓延高溫合成法

自蔓延高溫合成是利用反應(yīng)物之間的高化學(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)作用使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料合成的一種方法。自蔓延反應(yīng)速度極快，相比于傳統(tǒng)制備工藝大大提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)節(jié)約了能源；由于反應(yīng)時(shí)間短，晶粒在高溫下來(lái)不及長(zhǎng)大，所得粉體粒徑較??；此外，劇烈的溫度變化導(dǎo)致晶體中的缺陷和不平衡結(jié)構(gòu)較多，所合成的粉體具有較高的活性。

2、熔鹽法

熔鹽法(Molten-saltmethod)是制備納米陶瓷粉體的常用方法。通過(guò)在原反應(yīng)體系中加入低熔點(diǎn)鹽，可以有效降低體系反應(yīng)溫度，從而減緩高溫下晶粒長(zhǎng)大，且低熔點(diǎn)鹽形成的液相介質(zhì)加快了反應(yīng)物原子的擴(kuò)散速率，實(shí)現(xiàn)了原料在原子尺度上的混合，因此熔鹽法合成粉體粒徑小、分散性較好。

3、機(jī)械合金化

機(jī)械合金化是一種固態(tài)非平衡材料合成技術(shù)，原料粉末在高能球磨過(guò)程中受到研磨介質(zhì)的反復(fù)碰撞，經(jīng)受反復(fù)的變形、冷焊及破碎，最終實(shí)現(xiàn)原子間相互擴(kuò)散或發(fā)生固態(tài)反應(yīng)生成合金粉末。對(duì)于元素化合、鎂熱還原等強(qiáng)放熱反應(yīng)體系，使用熱能激發(fā)易引發(fā)自蔓延反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程可控性降低且合成粉體分散性較差；而在機(jī)械合金化過(guò)程中原料的結(jié)構(gòu)變化及反應(yīng)的發(fā)生是由機(jī)械能誘導(dǎo)，避免了自蔓延反應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)高能球磨過(guò)程減小了反應(yīng)物粒徑并實(shí)現(xiàn)了原子尺度上的混合，合成溫度相對(duì)較低且過(guò)程可控，因此所得粉體分散性較好。對(duì)于高反應(yīng)熱合成體系，可直接通過(guò)機(jī)械合金化誘導(dǎo)反應(yīng)發(fā)生合成ZrB2粉體。

4、溶膠凝膠法

溶膠凝膠法(Sol-gelmethod)合成ZrB2是將含Zr、B的有機(jī)物在液相中均勻混合并進(jìn)行水解、縮合，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠經(jīng)陳化、干燥脫水后形成固態(tài)凝膠，將凝膠進(jìn)一步干燥后得到含Zr、B前驅(qū)體粉末，前驅(qū)體粉末經(jīng)燒結(jié)后最終得到ZrB2納米粉體。該方法的優(yōu)勢(shì)在于液相前驅(qū)體的制備實(shí)現(xiàn)了原料在分子或原子尺度上的充分混合，所以所得產(chǎn)物粒徑小、分散性好、反應(yīng)溫度也比一般燒結(jié)法低，但粉體產(chǎn)率有待提高。

5、靜電紡絲法

靜電紡絲法是目前制備高長(zhǎng)徑比ZrB2粉體(連續(xù)納米纖維)的主要工藝，通過(guò)調(diào)節(jié)Zr/B前驅(qū)體溶液的黏度，使溶液通過(guò)靜電紡絲設(shè)備的噴孔形成穩(wěn)定的射流，射流在靜電相互作用下拉伸和凝固形成均勻連續(xù)、缺陷較少的Zr/B前驅(qū)體纖維，前驅(qū)體纖維在高溫下裂解最終生成高長(zhǎng)徑比ZrB2納米纖維。

結(jié)束語(yǔ)

航空航天、兵器、能源等高科技領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)輕質(zhì)、耐高溫的超高溫陶瓷材料提出了迫切需求。目前發(fā)達(dá)國(guó)家在這一研究領(lǐng)域投入了大量人力和財(cái)力。在上述需求的牽引下，ZrB2基超高溫陶瓷的研究必將進(jìn)入快速的發(fā)展時(shí)期。

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