近日，據(jù)央視報(bào)道，我國正在攻關(guān)的JF-22超高速風(fēng)洞，是研制新一代飛行器的搖籃，預(yù)計(jì)2022年建成。它可以復(fù)現(xiàn)40到100公里高空、速度約30倍聲速的飛行條件。超高速風(fēng)洞為飛行器的高聲速飛行提供了必要條件，但由于高聲速飛行器機(jī)體表面溫度隨著速度的提高而提高，在高速飛行時(shí)往往能夠達(dá)到2000℃甚至3000℃，因此對(duì)超高溫材料的性能提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1 為什么選擇超高溫陶瓷材料？

現(xiàn)有的高溫合金材料密度大、成本高，抗氧化性能差；Cf/SiC復(fù)合材料由于基體活性氧化長時(shí)間使用不能超過1650℃；C/C復(fù)合材料雖然具有輕質(zhì)的特點(diǎn)，但無保護(hù)層時(shí)超過500℃即開始急劇氧化。因此，前述熱防護(hù)材料體系已不能滿足高超聲速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)的需要，超高溫陶瓷材料以其優(yōu)異的綜合性能有望成為新一代高溫?zé)岱雷o(hù)材料，是目前高溫?zé)岱雷o(hù)材料的研究前沿。目前效果比較好的，已經(jīng)應(yīng)用的主要是超高溫陶瓷材料。

2 什么是超高溫陶瓷？

超高溫陶瓷是指在高溫環(huán)境下（2000℃）以及反應(yīng)氣氛中（例如在原子氧環(huán)境中）能夠保持物理與化學(xué)穩(wěn)定性的一種特殊材料，是具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能、高溫抗氧化性和抗熱震性的陶瓷基復(fù)合材料。

超高溫陶瓷主要是由高熔點(diǎn)硼化物與碳化物組成，主要包括硼化鉿（HfB2）、硼化鋯（ZrB2）、碳化鉿（HfC）、碳化鋯（ZrC）、碳化鉭（TaC）等。硼化物、碳化物超高溫陶瓷的熔點(diǎn)均超過3000℃，具有優(yōu)良的熱化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的物理性能，包括高彈性模量、高硬度、低飽和蒸汽壓、適中的熱膨脹率和良好抗熱震性能等，并且能在高溫下保持很高的強(qiáng)度。表1是常見的超高溫陶瓷的熱物理性能。

超高溫陶瓷能夠適應(yīng)超高音速長時(shí)飛行、大氣層再入、跨大氣層飛行與火箭推進(jìn)系統(tǒng)等極端環(huán)境，可以應(yīng)用于飛行器鼻錐、機(jī)翼前緣、發(fā)動(dòng)機(jī)熱端等各種關(guān)鍵部件。作為應(yīng)用在航空航天飛行器上的重要材料，超高溫陶瓷材料得到各國的高度關(guān)注。

3 超高溫陶瓷分類

超高溫陶瓷主要分為硼化物超高溫陶瓷、碳化物超高溫陶瓷兩大類，以下對(duì)其進(jìn)行簡要介紹。

3.1 硼化物超高溫陶瓷

超高溫硼化物主要有硼化鉿（HfB2）、硼化鋯（ZrB2）、硼化鉭（TaB2）和硼化鈦（TiB2）等，目前對(duì)硼化鋯（ZrB2）和硼化鉿（HfB2）的研究最為集中。

硼化物超高溫陶瓷（UHTCs）由較強(qiáng)的共價(jià)鍵構(gòu)成，具有高熔點(diǎn)、高硬度、高強(qiáng)度、低蒸發(fā)率、高熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率等特點(diǎn)，但共價(jià)鍵較強(qiáng)的特性導(dǎo)致了其具有難以燒結(jié)和致密化的缺點(diǎn)。為了改善其燒結(jié)性能，提高致密度，可以通過提高反應(yīng)物的表面能、降低生成物的晶界能、提高材料的體擴(kuò)散率、加快物質(zhì)的傳輸速率以及提高傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)等方法來解決。

3.2 碳化物超高溫陶瓷

碳化物超高溫陶瓷具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高硬度及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，是應(yīng)用廣泛的超高溫陶瓷材料，目前常用的碳化物超高溫陶瓷主要包括碳化硅（SiC）、碳化鋯（ZrC）、碳化鉭（TaC）和碳化鉿（HfC）。

碳化鉿（HfC）、碳化鋯（ZrC）和碳化鉭（TaC）的熔點(diǎn)與其氧化物相比高得多，不經(jīng)歷任何固相相變，具有較好的抗熱震性能，在高溫下仍具有較高的強(qiáng)度。但是，這類碳化物超高溫陶瓷的斷裂韌性和抗氧化性相對(duì)較低，通常采用纖維進(jìn)行增強(qiáng)增韌。

碳氧化物的燒結(jié)性、致密程度等對(duì)氧的擴(kuò)散有很大影響。硼硅玻璃與金屬碳氧化物相比相對(duì)致密，對(duì)氧的擴(kuò)散有更好的抑制作用。這也是迄今為止，摻硅硼化物超高溫陶瓷得到廣泛研究的原因之一。

4 超高溫陶瓷基復(fù)合材料制備

制備碳化物、硼化物超高溫陶瓷基復(fù)合材料的方法主要為燒結(jié)致密化工藝，包括熱壓燒結(jié)(HP)、反應(yīng)熱壓燒結(jié)(ＲHP)、無壓燒結(jié)(PS)和放電等離子燒結(jié)(SPS)等。

4.1 熱壓燒結(jié)(HP)

熱壓燒結(jié)(HP)是將原料粉體填充進(jìn)模具內(nèi)，從單軸方向同時(shí)進(jìn)行加壓、加熱的燒結(jié)方法，又可分為真空熱壓、氣氛熱壓、熱等靜壓、振動(dòng)熱壓、均衡熱壓、超高壓燒結(jié)等。

熱壓時(shí)，粉體處于熱塑性狀態(tài)，形變阻力較小，易于塑性流動(dòng)和致密化，所需成型壓力較小。同時(shí)加熱、加壓有助于粉體顆粒的接觸和擴(kuò)散、流動(dòng)等傳質(zhì)過程，降低燒結(jié)溫度和縮短燒結(jié)時(shí)間，從而抑制了晶粒的長大。熱壓法能生產(chǎn)形狀較復(fù)雜、尺寸較精確的產(chǎn)品，但是，熱壓燒結(jié)受粉體純度影響增大，雜質(zhì)會(huì)引起晶粒異常長大，容易出現(xiàn)微裂紋，且生產(chǎn)率較低，成本較高。為了降低燒結(jié)溫度，粉體粒度要盡量小，同時(shí)需要加入合適的燒結(jié)助劑。

4.2 反應(yīng)熱壓燒結(jié)(ＲHP)

反應(yīng)熱壓燒結(jié)(ＲHP)是利用原料之間的化學(xué)反應(yīng)并結(jié)合熱壓燒結(jié)工藝形成的一種燒結(jié)工藝。ＲHP的燒結(jié)溫度較低，材料致密度高，無需進(jìn)行粉體制備，成本相對(duì)較低。ＲHP主要包含原位反應(yīng)和燒結(jié)致密化這2個(gè)過程。通常使用前驅(qū)體粉體Zr、B4C和Si的原位反應(yīng)來制備超高溫陶瓷材料。

4.3 無壓燒結(jié)(PS)

無壓燒結(jié)(PS)是在常壓下對(duì)原料進(jìn)行加熱成型，是一種最簡單的燒結(jié)方法，適用于不同形狀、尺寸構(gòu)件的制備，溫度便于控制，但是得到的材料致密度較低，原料粒度和燒結(jié)助劑對(duì)材料致密度的影響很大。

4.4 放電等離子燒結(jié)(SPS)

放電等離子燒結(jié)(SPS)是將高能脈沖電流通入裝有粉體的模具上，在粉體顆粒間產(chǎn)生等離子體放電進(jìn)行加熱燒結(jié)，是一種燒結(jié)溫度低、速度快、致密化程度高的燒結(jié)工藝，缺點(diǎn)是制備的樣品形狀簡單、體積較小。

5 結(jié)語

超高溫陶瓷基復(fù)合材料因其優(yōu)異的綜合性能，在航空航天和武器裝備領(lǐng)域具有極好的發(fā)展前景，現(xiàn)階段對(duì)于超高溫陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)性能、抗氧化燒蝕性能、抗熱沖擊性能以及微觀結(jié)構(gòu)及性能機(jī)理的研究已經(jīng)充分證明其在高溫結(jié)構(gòu)材料中的特殊地位，但是還有大量未知的機(jī)理與性能需要探索，許多實(shí)際應(yīng)用的問題需要克服。對(duì)于超高溫陶瓷材料的研究雖道阻且長，但行則將至！

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