【原创】科技前沿|上海硅酸盐所在超高温陶瓷涂层材料研究中取得系列进展!


来源:中国粉体网   星耀

[导读]  近日,中国科学院上海硅酸盐研究所郑学斌研究员带领的研究团队根据超高温陶瓷材料特殊的结构和物理化学特性,在涂层制备技术和组成优化设计两方面取得系列进展。

中国粉体网讯  近日,中国科学院上海硅酸盐研究所郑学斌研究员带领的研究团队根据超高温陶瓷材料特殊的结构和物理化学特性,在涂层制备技术和组成优化设计两方面取得系列进展。


 


超高温陶瓷研究背景


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。


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。


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)。


 

图片来源:Pixabay


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。


超高温陶瓷涂层材料研究进展


据了解,中国科学院上海硅酸盐研究所的研究人员是基于低压/真空等离子喷涂技术和超高温陶瓷粉体结构控制技术,设计制备了ZrB2、ZrC、HfB2、HfC等多种纯相与复合涂层,该类陶瓷涂层的致密度达到93-97%。基于调控液相和固相氧化产物高温稳定性的设计思路,对超高温陶瓷涂层的化学组成进行调控,首次系统研究了硼化物和碳化物超高温陶瓷涂层的抗氧化烧蚀行为的差异性,包括表面温度变化趋势、氧化产物特性和抗氧化烧蚀行为等。研究结果表明,所制备的涂层材料具有2000-2500℃超高温环境有效热防护的能力,为其实际应用提供了科学与技术基础。


 

硼化锆和碳化锆基复合涂层的氧化产物显微结构图


参考来源:中国科学院上海硅酸盐研究所、中国粉体网、硅酸盐通报、化工新型材料等。

(中国粉体网编辑整理/星耀)

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作者:星耀

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