超高温陶瓷：空天材料的先锋兵

文章来源：上海硅酸盐研究所
发布时间：2011-05-11
http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201105/t20110512_3131851.shtml

 
高超声速飞行器是航空航天科技向新的飞行极限进行探索的重要领域。它将对空天一体化的实现产生巨大的推动作用，是航空先进国家近年发展的热门领域。随着空天飞行器机动性和突防能力要求的增加，近年来世界各国都相继开展了高超声速飞行器的研究。
 

高超声速技术主要指飞行速度超过5马赫的飞行器所需的相关技术。如美国的X-43A高马赫飞行器，其速度最大可达到9.7马赫。为提高飞行器操作灵活性和减少推进系统能耗，研究者们设计使用锐头体飞行器替代以往的钝头体飞行器。在飞行器超高声速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境下，火箭喷嘴入口、吸气增强推进系统、机翼前缘以及鼻锥等关键部件都会在燃料燃烧以及飞行过程与大气的激烈磨擦中产生高温。而高温结构材料，尤其是超高温结构材料，作为重大关键技术之一，在高超声速飞机发展中起着举足轻重的作用。因此，具有长时间（2000s以上）、超高温（2000°C以上）、非烧蚀性（不以熔化、碳化、升华等材料消耗带走热量）的结构材料成为了空天材料研究的热点。
 

目前，能够在2000℃以上使用的超高温材料主要有难熔金属、C/C复合材料以及超高温陶瓷等。其中，超高温陶瓷材料被认为是未来超高温领域潜力巨大的应用材料。超高温陶瓷材料（Ultra-high-temperature ceramics，简称UHTCs）一般是指在2000°C以上的高温下使用的一类陶瓷材料，主要指一些过渡金属的硼化物、碳化物和氮化物，如ZrB2、HfB2、TaC、ZrC、HfC和HfN等。它们具有3000°C左右的高熔点，以及高硬度、高导热率、良好的抗氧化性和抗热震性、中等的热膨胀系数等优良的性能，因此非常适合做超声速航天飞行器高温结构材料的使用。
 

美国宇航局（NASA）分别在1997 年和2001 年针对HfB2-SiC、ZrB2-SiC 和ZrB2-SiC-C超高温陶瓷进行了两次超声速飞行试验（SHARP-B1、SHARP-B2），分别将其应用于飞行器的鼻锥和翼前缘部分（如图所示，左图：SHARP B1，HfB2-20vol%SiC，应用于鼻锥部分；中图和右图：SHARP B2，HfB2-SiC、ZrB2-SiC、ZrB2-SiC-C，应用于翼前缘部分），成功展示了以ZrB2-SiC 和HfB2-SiC 为主体的超高温陶瓷材料作为跨大气层超声速飞行器防热系统材料的应用前景。其中，SHARP-B2试验的测试表明，该超高温陶瓷的耐烧蚀温度可高达2815°C！因此，该项目的总工程师Jeff Bull认为：采用超高温陶瓷为材料的SHARP-B2试验在未来锐头体空天飞行器的探索中迈出了非常关键的一步。  

鉴于此，世界上掀起了一股研究超高温陶瓷的热潮，美国、中国、意大利、法国、日本的研究者们都开展了大量的研究工作，国际交流与合作日渐频繁。超高温陶瓷材料在原料合成、烧结工艺和性能表征等方面都实现了突破式进展。研究的材料体系越来越丰富，对工艺-结构-性能的理解也越来越深入。相信在不久的将来，超高温陶瓷会以其所具有的独特优异性能成为空天科技发展的重要应用材料，成为空天材料研究的先锋兵！