超高溫陶瓷材料（Ultrahigh-Temperature Ceramics,簡稱UHTCs）最早由美國空軍開發，主要指高溫環境（2000℃以上）和反應氣氛中（如原子氧環境）能夠保持化學穩定的一種特殊材料，通常包括硼化物、碳化物、氧化物在內的一些高熔點過渡金屬化合物，由上述化合物組成的多元復合陶瓷材料統稱為超高溫陶瓷材料。

    1 大背景

    近日，隨著最后一塊反射面吊裝完成，位于貴州省黔南州平塘縣大窩函的世界最大單口徑射電望遠鏡——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）的主體工程終于順利完工，這意味著中國將在探索太空的旅途上更進一步。盡管具備天眼條件，能夠發現深空物質與星系，但未來我們的航天器能進入太空帶回真實樣本以供分析測試更能幫助我們直觀分析宇宙誕生的歷史。正如科幻作家劉慈欣先生所說，人類航天器太空飛行最關鍵的便是克服“引力深井”，而跳出深井往往需要付出巨大代價，只有在飛行器獲取足夠的速度后才能逃逸地球的引力井。

    有去路自然得有歸途，航天器在返回地球的過程中需穿越稠密的大氣層，這個過程類似于跳水運動員高空入水過程。運動員10m跳臺入水速度基本在14m/s左右，而再入飛行器進入大氣層的速度則特別快，如航天飛機再入大氣層高度100km時的飛行速度達到7800m/s，此間差異對比可知。盡管空氣的密度要比水小很多，但是在飛行過程中飛行器表面摩擦產生的熱及作用力與飛行速度成指數關系，速度所帶來的影響尤其顯著。

    因此對于高馬赫數飛行的航天器而言，如何克服飛行中的熱量至關重要，目前飛行器的防熱技術主要通過燒蝕材料的質量損失和化學變化來帶走熱量。對于航天器頭部及翼前緣等部位，其溫度往往達2000℃以上，需要特殊材料以滿足其防熱及承載的需求。該類局部結構通常采用碳/碳復合材料，但碳/碳類材料在有氧條件下往往燒蝕比較嚴重，抗氧化能力較弱，而目前國內外也通過各種手段制備了一些抗氧化碳/碳復合材料。與此同時，能夠適應上述極端條件的另一個材料體系也逐步受到廣泛關注，它便是超高溫陶瓷材料。

    2 何謂超高溫陶瓷材料

    超高溫陶瓷材料（Ultrahigh-Temperature Ceramics,簡稱UHTCs）最早由美國空軍開發，主要指高溫環境（2000℃以上）和反應氣氛中（如原子氧環境）能夠保持化學穩定的一種特殊材料，通常包括硼化物、碳化物、氧化物在內的一些高熔點過渡金屬化合物，由上述化合物組成的多元復合陶瓷材料統稱為超高溫陶瓷材料。這些高熔點過渡金屬化合物中，TaC、ZrB2、HfB2、HfC等的熔點超過了3000℃，從而使得它們在極端高溫條件下具有很大的應用潛力。

    ZrB2和HfB2等超高溫陶瓷材料最初被作為核反應堆材料進行研究，上世紀60年代美國ManLabs相關工作表明這類材料在鼻錐和尖翼前緣具有較大應用潛力。90年代美國實行SHARP計劃，采用民兵III搭載考核了HfB2/SiC、ZrB2/SiC、ZrB2/SiC/C三種超高溫陶瓷材料。材料回收后發現出現裂紋，分析后認為材料內部顆粒團聚缺陷是導致出現裂紋的重要現象，此次飛行試驗也再一次證明超高溫陶瓷材料在極端高溫環境下具有很大潛力。

    3 研究熱點

    超高溫陶瓷材料目前更多工作依舊處于基礎研究和機理探索階段，研究內容主要集中在以下四個方面：1）材料的制備技術研究；2）材料的力學性能；3）材料的抗熱沖擊性能；4）材料抗氧化/燒蝕性能和熱響應。在超高溫陶瓷材料的研制過程中，學者們首先對ZrB2和HfB2基陶瓷復合材料給予了極大的關注，大部分的研究工作也基于上述材料，當然也有一些學者對TaC、HfC等材料進行了相關研究。

    3.1 材料制備技術研究

    目前超高溫陶瓷材料的主要制備工藝包括熱壓燒結、放電等離子燒結、無壓燒結及其它燒結方式。其中，熱壓燒結（Hot-Pressing）是使用最廣泛的燒結方式，即在材料高溫燒結的同時對其施加一定的壓力，從而實現材料的致密化。熱壓燒結又包括高溫低壓燒結（1900℃以上，壓力20～30MPa）和低溫高壓燒結（溫度<1800℃，壓力>800MPa）兩種方式。放電等離子燒結（Spark Plasma Sintering）本質上是一種熱壓燒結，盡管該工藝報道較多，但目前該工藝尚處于機制研究階段，同時其設備昂貴和燒結成本高等因素也制約了其普及范圍。

    隨著技術的進步和研究人員對陶瓷材料燒結機理的深度理解，催生了新一代的無壓燒結技術。該技術最初建立在干壓或者冷等靜壓成型的基礎上，需要燒結助劑來增強燒結效果，后續為了實現凈尺寸成型又發展了膠態成型等。楊汝杰、屈強和杜爽等針對上述各材料制備技術及其特點作了較為詳細的匯總和分析。

    3.2 材料力學性能研究

    超高溫陶瓷材料的力學性能主要包括彎曲強度和斷裂韌性。微觀結構上來說材料力學性能與其內部結構組成部分關系較大，宏觀力學性能的影響因素主要體現在材料致密度、晶粒尺寸、第二相或燒結助劑的含量和種類等。國內外大量學者在該領域做出了很多工作，包括Chamberlain、Rezaie、Watts等，航天703所郭強強等曾對此進行了較為詳細的總結。

    3.3 材料抗熱沖擊性能

    航天飛行器翼前緣等處在飛行過程中可能出現溫度突然升高的情況，從而導致該部位的熱應力往往也較大。一旦材料在熱應力條件下產生裂紋，或者在初始狀態便存在細小裂紋，則裂紋在熱震的情況下很容易出現擴散，表現為陶瓷材料的脆性特點。因此，該類材料在工程應用前需對其抗熱沖擊性能進行充分研究和分析。目前，陶瓷材料的抗熱震性能主要通過水淬法進行，根據臨界熱震溫差來表征材料的抗熱震性能優劣。

    3.4 材料抗氧化/燒蝕性能

    單相的ZrB2（或HfB2）在1200℃以下具有良好的抗氧化性能，材料在溫度逐漸升高的過程中通過生成B2O3液態玻璃相來發揮抗氧化作用。而材料在1200℃以上后，B2O3因迅速蒸發而喪失抗氧化作用，導致ZrB2（或HfB2）出現快速氧化的現象。為此，一些學者嘗試加入第二相（如SiC等）來改善材料的抗氧化性能，含Si第二相的加入能使得材料在1200℃以上的高溫環境下生成SiO2液態玻璃相覆蓋于材料表面，從而提高材料的抗氧化性能。

    美國空軍曾對ZrB2和HfB2化合物抗氧化性進行了大量研究，結果表明體積含量20%的第二相SiC對高超音速飛行器是最佳的。與此同時，添加C可以提高材料抵抗熱應力的能力，但隨C含量的增加材料的抗氧化能力在逐漸降低。其它研究者也對其它復合相的加入進行了大量研究，引入的復合相化合物包括Ta、Nb、W、Mo、Zr及其氧化物等。美國NASA的艾姆斯研究中心（Ames Research Center）在該領域曾作了許多重要工作，擁有扎實的基礎。

    4 研究單位

    目前國內外很多機構對超高溫陶瓷材料進行了大量研究，據公開文獻資料顯示，從事相關研究工作的單位如下：

    ZrB2基陶瓷：NASA艾姆斯和格倫研究中心、美國空軍研究實驗室、伊利諾伊香檳分校、哈爾濱工業大學、美國水面作戰中心、日本國立材料研究所，英國倫敦帝國大學、韓國材料研究所、意大利陶瓷科技研究所、美國密蘇里科技大學；

    HfB2基陶瓷：美國艾姆斯研究中心、意大利陶瓷科技研究所；

    纖維增強超高溫陶瓷：中科院沈陽分院、美國空軍研究實驗室。

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責任編輯：王元

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