对于超高温陶瓷复合材料的研究始于世纪年代, 然而当时所研发的相关材料缺乏优异的性能而使得研究暂时终止。30年后, 此类材料的研发工作被重新提上日程, 并逐步获得材料界极大关注[1]。截至目前, 关于超高温陶瓷复合材料的文献已累计发表至少1400篇, 多集中研究材料制备、力学性能及抗氧化烧蚀性能等方面。
1 超高温陶瓷复合材料的制备
超高温陶瓷复合材料的制备 (致密化) 方法可概括为热压烧结、反应热压烧结、放电等离子烧结及无压烧结等。第一, 热压烧结主要针对致密化过程需要在非常高的温度 (≥2100℃) 下、一定的压力下 (20-30MPa) , 或较低温度 (约1800℃) 、非常高的压力 (>800MPa) 下才能展开的材料, 如Zr B2、Hf B2。第二, 超高温陶瓷复合材料的制备是通过原位反应得到的。由于一般地, 超高温陶瓷复合材料的原位反应具有较低的吉布斯自由能和很好的热函数, 且反应速度及升温速度过快时, 会出现一定量的非平衡相及缺陷率, 这就要求在较低的热升温速率及相对温和的反应过程中实现材料的致密化。第三, 放电等离子烧结是通过在陶瓷粉末颗粒间直接加上脉冲电流, 所进行的较快、为期较短的、结构可控的加热烧结。通过脉冲电流的放电, 分体颗粒接触部位温度极具升高, 可实现颗粒表面净化, 促进晶界扩散、物质及能量的传输。这一方法在制备温度低的小晶粒尺寸陶瓷获得过程中较为有利。
2 超高温陶瓷复合材料的力学性能、抗热冲击性能及抗氧化/烧蚀性能
第一, 超高温陶瓷复合材料在室温下及高温下的力学性能特点决定了其使用范围, 如Zr B2基超高温陶瓷复合材料的硬度、弹性量与其致密度相关, 具有致密结构的体系弹性模量与硬度分别约为500GPa、20GPa。其室温下的弯曲强度与材料结晶后的尺寸大小显著相关, 而晶粒尺寸大小又与基体 (Zr B2) 、增强相 (Si C) 的颗粒力度及增强相含量等相关。当Zr B2-Si C超高温陶瓷复合材料增强相力度小于1μm时, 于1850-1950℃高温下烧结可得到约1GPa的弯曲强度, 当烧结温度过低时, 材料难以达到致密化, 而温度过高时, 晶粒吸收能量过多而过度长大, 会影响力学强度。一定量Si C增强相的加入能够对于Zr B2晶粒生长起到一定的抑制作用, 而当含量 (体积分数) ≥20%时, 影响作用不会很明显。
第二, Zr B2-Si C超高温陶瓷复合材料晶粒粒度对于其断裂韧性能够产生的影响较小, 当晶粒在一定程度上细化时, 断裂韧度会被改善 (达3.5-5MPam1/2) 。当前, 为了增加超高温陶瓷复合材料的断裂韧度, 引入增韧相和改善微观结构为常见的两种方法, 前者能够用于断裂韧度小幅度提升 (不易达到8MPam1/2) , 后者能够大幅度提升 (甚至超过10MPam1/2) 。
第三, 超高温陶瓷复合材料为脆性材料, 很容易在过分加热时出现热冲击失效, 产生不可恢复性破坏, 这就表明如何对其抗热冲击性进行提升很重要[2]。在设计材料时, 要尽可能通过一系列方法使材料热应力降低, 如加入石墨、C纤维等;另外, 加入纤维状、层状结构进行微观结构的改善也可以对于其抗热冲击性能进行改善。
第四, 对于超高温陶瓷复合材料而言, 温度对于其抗氧化烧蚀性能影响十分主要。在700℃下, Zr B2明显开始发生氧化, 其氧化层能够在低于1100℃条件下发挥抗氧化性能, 而当温度升高至1200℃后, 氧化层会大量挥发而对于材料本身的抗氧化能力产生影响。针对这一问题, 硅化物, 如Si C, 引入便能够通过形成覆盖于材料表面或形成填充于Zr O2孔隙的骨架而从整体提升抗氧化烧蚀性能。
可以说, 超高温陶瓷复合材料在未来发展应用和发展领域十分广阔, 而如何通过进行微观形貌组分的设计来提升其损伤容限及抗热冲击性能则为研究重点和工程应用关键点。同时, 纤维增强体结构、碳纤维增强增韧及多尺度增韧等, 则为强化增韧的主流方向。
3 结语
超高温陶瓷复合材料在未来航空航天、军工事业等方面应用甚广, 满足2000℃以上工作温度的超高温材料, 将成为用于航天飞船、火箭发动机等重要器件的关键。如何进一步优化制备工艺, 缩减成本与使用周期, 选择增强体设计高强度、高韧性的复合材料有待于深入研究与探索, 在此也希望更多业内从业人士和研究人员, 积极投身到这项课题的研讨中来, 为促进新材料的研发与应用而共同努力。
摘要：超高温陶瓷复合材料主要指的是一系列氮化物、硼化物及碳化物, 具有相对较高的熔点 (>3000℃) 。作为高温结构材料的重要分类, 其基础研究及实际应用价值被高度重视和深入探讨。如今, 高温陶瓷复合材料被广泛用于航天、军事发展。在本文中, 笔者在概述超高温材料制备基础上, 对于几类超高温陶瓷及复合材料的性能展开总结。
关键词：超高温陶瓷复合材料,制备,性能,研究发展
参考文献
[1] 吴雯雯, 张国军, 阚艳梅, 王佩玲.Zr B2-Si C基超高温陶瓷 (UHTCs) 的反应烧结及SHS粉体制备[J].稀有金属材料与工程, 2007 (S2) .
[2] 张幸红, 胡平, 韩杰才, 杜善义.超高温陶瓷材料抗热冲击性能及抗氧化性能研究[J].中国材料进展, 2011 (01) .
[3] 孙涛, 倪新华, 刘协权, 韩保红, 程兆刚.含共晶界面陶瓷复合材料的损伤应变场分析[J].计算力学学报, 2012 (04) .