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1、2015年第60卷第3期：257~266《中国科学》杂志社专辑:先进结构陶瓷材料评述www.scichina.comcsb.scichina.comSCIENCECHINAPRESS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@hit.edu.cn2014-05-14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
2、过渡族难熔硼化物、碳关键词化物和氮化物组成,这些材料的熔点高于3000℃,是一类非常重要的高温结构材料,近年来超高温陶瓷材料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,ZrB-SiCZrB22HfB2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、良力学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.抗热冲击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氧化有前景的候选材料.本文对超高温陶瓷复合材料的制备、力
3、学性能、抗热冲击性能、抗氧化/烧蚀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.超高温陶瓷复合材料主要包括一些过渡族金属因原材料的纯度不够很难获得性能优异的超高温陶的难熔硼化物、碳化物和氮化物,如ZrB2,HfB2,TaC,瓷复合材料而被迫放弃.由于没有找到更合适的超[1,2]HfC,ZrC,HfN
4、等,它们的熔点均在3000℃以上.高温防热结构材料,在放弃了30年后又重新开始了[1]在这些超高温陶瓷中,ZrB2和HfB2基超高温陶瓷复这类材料的研究,并得到了国际材料界的广泛关注,合材料具有较高的热导率、适中的热膨胀系数和良好到目前为止发表超高温陶瓷复合材料相关的论文超的抗氧化烧蚀性能,可以在2000℃以上的氧化环境过1400篇,主要集中在超高温陶瓷复合材料的制备、中实现长时间非烧蚀,是一种非常有前途的非烧蚀力学性能和抗氧化烧蚀性能方面.另外,超高温陶瓷型超高温防热材料,可用于再入飞行器、大气层内高复合材料的热响应也得到了学者的关注.本文从这超
5、声速飞行器的鼻锥、前缘以及发动机燃烧室的关键几个方面对超高温陶瓷复合材料进行全面的综述,热端部件,对提升高速飞行器气动性能、控制能力、揭示了超高温陶瓷复合材料组分、微结构和性能之间飞行效率等方面将具有贡献,国内外对这种材料的的关系,分析了添加剂对超高温陶瓷复合材料性能基础和应用研究也非常重视,投入了大量的人力、物的影响,为超高温陶瓷复合材料在特定使用环境的力和财力,并实施了一系列的重大计划,取得了显著综合性能的优化提供了有效的设计原则和方法.此的成果.外,本文还指出了超高温陶瓷复合材料目前存在的20世纪60年代末开始了对这种材料的研究,但挑战,并对
6、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,2015,60:257–266ZhangXH,HuP,HanJC,etal.Researchprogressonultra-hightemperatureceramiccomposites(inChinese).ChinSciBull,2015,60:257–266,doi:10.1360/N972014-004562015年1月第60卷第3期[7]1超高温陶瓷复合材料的制备洞.为了去除或减轻这些氧化物杂质对材料致密化的影响,通常添加氮化物(AlN,
7、Si3N4,ZrN,HfN超高温陶瓷复合材料的致密化主要有热压烧结[8,9][10]等)、碳及碳化物(B4C,WC,VC等)等,但它们(HP)、放电等离子烧结(SPS)、反应热压烧结(RHP)的作用机制是不同的.氮化物的引入主要是将硼化和无压烧结(PS).在这些制备方法中,热压烧结是目物表面的B2O3反应,降低ZrB2表面的氧从而提高B前超高温陶瓷复合材料最主要的烧结方法,表1列出的活性;而碳及碳化物的添加是与ZrO2/HfO2反应降了这几种方法的优缺点.低其氧含量,提高Zr/Hf的活性,二者均能促进超高温陶瓷复合材料的致密化.添加质量含量≥2.5
8、%的1.1热压烧结Si3N4经过1700℃,30MPa和15min的热压烧结,几ZrB2和HfB2都是ALB2型的六方晶系
