第27卷　第5期

材　料　科　学　与　工　程　学　报总第121期文章编号:167322812(2009)0520793205

硼化锆基超高温陶瓷材料的研究进展

闫永杰1,张　辉1,2,黄政仁1,刘学建1

(1.中国科学院上海硅酸盐研究所,上海　200050;2.中国科学院研究生院,北京　100049)

　　【摘　要】　由于在极端环境中具有优异的物理化学性能,超高温陶瓷成为未来高超声速飞行和可重复使用运

载飞船领域最具前途的候选材料之一。本文对硼化锆基超高温陶瓷材料粉体合成、烧结致密化和高温热机械性能(主要为抗氧化和抗烧蚀性能)研究方面作了综合评述,对材料研究和应用方面存在的问题作了初步总结,期望能够为推动超高温陶瓷材料的实际应用起到一定的指导意义。

【关键词】　超高温陶瓷;致密化;抗氧化;抗烧蚀中图分类号:TB335　　　　文献标识码:A

Researchandltra2high

Hui1,2,HUANGZheng2ren1,LIUXue2jian1

(InstituteofCeramics,ChineseAcademicofSciences,Shanghai　200050,China;

2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing　100049,China)

【Abstract】　Ultra2hightemperatureceramics(UHTC)havebecomeoneofthepotentialstrategicmaterialsinthefields

offuturehypersonicflightsandreusablelaunchvehiclesduetotheirexcellentphysicalandchemicalpropertiesintheextremeenvironments.Powdersynthesisprocess,sintering,hightemperaturethermo2mechanicalproperties,especiallyoxidationandablationresistancesweresystemicallyreviewed.Also,theproblemsinthematerialresearchandapplicationswerepreliminarilysummarized.ItisexpectedthiswillprovidessomeguidanceforpropellingthepracticalapplicationsoftheUHTCsmaterials.

【Keywords】　ultra2hightemperatureceramics;densification;oxidationresistance;ablationresistance

金属间化合物、C/C复合材料和陶瓷基复合材料等。各种

耐火金属与合金虽然成型方便,抗热冲击性能好,断裂韧性好,但是抗氧化性差,高温下抗蠕变性能差,并且大部分金属如Re、W、和Mo密度较大。C/C复合材料具有良好的高温力学性能,但是抗氧化性能差。已经或正在开展利用各种涂层来提高其抗氧化性,但是由于C/C复合材料和涂层系统之间的热膨胀系数匹配问题造成基体容易开裂,材料的使用周期有限。因此可以说,UHTCs随着实际应用的需求而应运发展。

ZrB2基UHTCs材料的研究可以追溯到1960’s年代。Manlab最早开始了UHTCs材料的研究,研究对象主要是ZrB2和HfB2及其复合材料,其研发成功的HfB2/20vol%SiC复合材料能基本满足高温氧化环境下持续使用的要求,但采用的热压工艺对复杂形状部件制备有很大的限制。到1990’s年代,NASA的Ames实验室也开始了相关研究,系

1　引　言

超高温陶瓷(Ultra2highTemperatureCeramics,

)以及反应性气UHTCs)一般认为是能够在高温(>1800℃

氛(如单原子O)中物理化学稳定,具有良好的抗氧化、抗热震和抗烧蚀性能的过渡族金属的硼化物,碳化物和氮化物,如TaC,ZrB2,ZrC,HfB2,HfC和HfN等。尤其是硼化物基UHTCs,以其极强的化学键特性而具有高熔点、高模量、高硬度、低饱和蒸汽压、高热导率和电导率、良好的抗热震等综合特性,成为超高温应用最具潜力的候选材料,能够潜在应用于制造新型空间飞行器及其运载工具的防热系统的关键材料;现代飞船热防护结构材料以及再入式飞船鼻椎,喷嘴和机翼前缘部件材料等[123]。

有望在1800℃以上使用的材料包括耐火金属与合金、

收稿日期:2008212215;修订日期:2009203223基金项目:国家自然科学基金资助项目(50632070)

作者简介:闫永杰(1981-),男,助理研究员。E2mail:yjyan@mail.sic.ac.cn。通讯作者:黄政仁,E2mail:zrhuang@mail.sic.ac.cn。