【原创】超高温陶瓷助力高声速飞行器抵御2000℃高温!


来源:中国粉体网   星耀

[导读]  超高温陶瓷是指在高温环境下(2000℃)以及反应气氛中(例如在原子氧环境中)能够保持物理与化学稳定性的一种特殊材料,是具有优良的高温力学性能、高温抗氧化性和抗热震性的陶瓷基复合材料。

中国粉体网讯  近日,据央视报道,我国正在攻关的JF-22超高速风洞,是研制新一代飞行器的摇篮,预计2022年建成。它可以复现40到100公里高空、速度约30倍声速的飞行条件。超高速风洞为飞行器的高声速飞行提供了必要条件,但由于高声速飞行器机体表面温度随着速度的提高而提高,在高速飞行时往往能够达到2000℃甚至3000℃,因此对超高温材料的性能提出了严峻的挑战。


 

图片来源:央视军事


1 为什么选择超高温陶瓷材料?


现有的高温合金材料密度大、成本高,抗氧化性能差;Cf/SiC复合材料由于基体活性氧化长时间使用不能超过1650℃;C/C复合材料虽然具有轻质的特点,但无保护层时超过500℃即开始急剧氧化。因此,前述热防护材料体系已不能满足高超声速飞行器热防护系统的需要,超高温陶瓷材料以其优异的综合性能有望成为新一代高温热防护材料,是目前高温热防护材料的研究前沿。目前效果比较好的,已经应用的主要是超高温陶瓷材料。


2 什么是超高温陶瓷?


超高温陶瓷是指在高温环境下(2000℃)以及反应气氛中(例如在原子氧环境中)能够保持物理与化学稳定性的一种特殊材料,是具有优良的高温力学性能、高温抗氧化性和抗热震性的陶瓷基复合材料。


超高温陶瓷主要是由高熔点硼化物与碳化物组成,主要包括硼化铪(HfB2)、硼化锆(ZrB2)、碳化铪(HfC)、碳化锆(ZrC)、碳化钽(TaC)等。硼化物、碳化物超高温陶瓷的熔点均超过3000℃,具有优良的热化学稳定性和优异的物理性能,包括高弹性模量、高硬度、低饱和蒸汽压、适中的热膨胀率和良好抗热震性能等,并且能在高温下保持很高的强度。表1是常见的超高温陶瓷的热物理性能。


表1 常见超高温陶瓷的性能

 


超高温陶瓷能够适应超高音速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行与火箭推进系统等极端环境,可以应用于飞行器鼻锥、机翼前缘、发动机热端等各种关键部件。作为应用在航空航天飞行器上的重要材料,超高温陶瓷材料得到各国的高度关注。


3 超高温陶瓷分类


超高温陶瓷主要分为硼化物超高温陶瓷、碳化物超高温陶瓷两大类,以下对其进行简要介绍。


3.1 硼化物超高温陶瓷


超高温硼化物主要有硼化铪(HfB2)、硼化锆(ZrB2)、硼化钽(TaB2)和硼化钛(TiB2)等,目前对硼化锆(ZrB2)和硼化铪(HfB2)的研究最为集中。


硼化物超高温陶瓷(UHTCs)由较强的共价键构成,具有高熔点、高硬度、高强度、低蒸发率、高热导率与电导率等特点,但共价键较强的特性导致了其具有难以烧结和致密化的缺点。为了改善其烧结性能,提高致密度,可以通过提高反应物的表面能、降低生成物的晶界能、提高材料的体扩散率、加快物质的传输速率以及提高传质动力学等方法来解决。


3.2 碳化物超高温陶瓷


碳化物超高温陶瓷具有高熔点、高强度、高硬度及良好的化学稳定性,是应用广泛的超高温陶瓷材料,目前常用的碳化物超高温陶瓷主要包括碳化硅(SiC)、碳化锆(ZrC)、碳化钽(TaC)和碳化铪(HfC)。


碳化铪(HfC)、碳化锆(ZrC)和碳化钽(TaC)的熔点与其氧化物相比高得多,不经历任何固相相变,具有较好的抗热震性能,在高温下仍具有较高的强度。但是,这类碳化物超高温陶瓷的断裂韧性和抗氧化性相对较低,通常采用纤维进行增强增韧。


碳氧化物的烧结性、致密程度等对氧的扩散有很大影响。硼硅玻璃与金属碳氧化物相比相对致密,对氧的扩散有更好的抑制作用。这也是迄今为止,掺硅硼化物超高温陶瓷得到广泛研究的原因之一。


4 超高温陶瓷基复合材料制备


制备碳化物、硼化物超高温陶瓷基复合材料的方法主要为烧结致密化工艺,包括热压烧结(HP)、反应热压烧结(RHP)、无压烧结(PS)和放电等离子烧结(SPS)等。


4.1 热压烧结(HP)


热压烧结(HP)是将原料粉体填充进模具内,从单轴方向同时进行加压、加热的烧结方法,又可分为真空热压、气氛热压、热等静压、振动热压、均衡热压、超高压烧结等。


热压时,粉体处于热塑性状态,形变阻力较小,易于塑性流动和致密化,所需成型压力较小。同时加热、加压有助于粉体颗粒的接触和扩散、流动等传质过程,降低烧结温度和缩短烧结时间,从而抑制了晶粒的长大。热压法能生产形状较复杂、尺寸较精确的产品,但是,热压烧结受粉体纯度影响增大,杂质会引起晶粒异常长大,容易出现微裂纹,且生产率较低,成本较高。为了降低烧结温度,粉体粒度要尽量小,同时需要加入合适的烧结助剂。


4.2 反应热压烧结(RHP)


反应热压烧结(RHP)是利用原料之间的化学反应并结合热压烧结工艺形成的一种烧结工艺。RHP的烧结温度较低,材料致密度高,无需进行粉体制备,成本相对较低。RHP主要包含原位反应和烧结致密化这2个过程。通常使用前驱体粉体Zr、B4C和Si的原位反应来制备超高温陶瓷材料。


4.3 无压烧结(PS)


无压烧结(PS)是在常压下对原料进行加热成型,是一种最简单的烧结方法,适用于不同形状、尺寸构件的制备,温度便于控制,但是得到的材料致密度较低,原料粒度和烧结助剂对材料致密度的影响很大。


4.4 放电等离子烧结(SPS)


放电等离子烧结(SPS)是将高能脉冲电流通入装有粉体的模具上,在粉体颗粒间产生等离子体放电进行加热烧结,是一种烧结温度低、速度快、致密化程度高的烧结工艺,缺点是制备的样品形状简单、体积较小。


5 结语


超高温陶瓷基复合材料因其优异的综合性能,在航空航天和武器装备领域具有极好的发展前景,现阶段对于超高温陶瓷基复合材料的力学性能、抗氧化烧蚀性能、抗热冲击性能以及微观结构及性能机理的研究已经充分证明其在高温结构材料中的特殊地位,但是还有大量未知的机理与性能需要探索,许多实际应用的问题需要克服。对于超高温陶瓷材料的研究虽道阻且长,但行则将至!


参考文献:

【1】杨路平,等.超高温材料的研究进展.佛山陶瓷.2017.

【2】严春雷,等.超高温陶瓷材料研究进展.硅酸盐通报.2017.

【3】齐方方,等.超高温陶瓷基复合材料制备与性能的研究进展.济南大学学报.2019.

(中国粉体网编辑整理/星耀)

注:图片非商业用途,存在侵权请告知删除


推荐4

作者:星耀

总阅读量:1153586

相关新闻:
网友评论:
0条评论/0人参与 网友评论

版权与免责声明:

① 凡本网注明"来源:中国粉体网"的所有作品,版权均属于中国粉体网,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用。已获本网授权的作品,应在授权范围内使用,并注明"来源:中国粉体网"。违者本网将追究相关法律责任。

② 本网凡注明"来源:xxx(非本网)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责,且不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。如其他媒体、网站或个人从本网下载使用,必须保留本网注明的"稿件来源",并自负版权等法律责任。

③ 如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起两周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。

粉体大数据研究
  • 即时排行
  • 周排行
  • 月度排行
图片新闻