超高温材料
出自 MBA智库百科(https://wiki.mbalib.com/)
目录 |
什么是超高温材料[1]
超高温材料是指在应力、氧化等授严苛的环境，以及约在2000℃超高温状态下仍能照常使用的最耐热的高级材料。
超高温材料的研究及应用[2]
1.难熔金属
难熔金属(W、Mo、Ta、Nb、Zr等)及其合金具有熔点高、耐高温和抗腐蚀强等突出优点，应用领域涉及固液火箭发动机、重返大气层的航天器和航天核动力系统等 。
2.陶瓷基复合材料
超高温陶瓷材料，尤其是难溶金属Zr、Hf和Ta的硼化物、碳化物，代表了在2000℃以上可用的候选材料，具有优异的物理性能，包括罕见的高熔点、高热导率、高弹性模量，并能在高温下保持很高的强度，同时还具有良好的抗热震性和适中的热膨胀率，是未来超高温领域最有前途的材料。
(1)碳化物陶瓷基复合材料
碳化铪(HfC)、碳化锆(ZrC)和碳化钽(TaC)的熔点比它们的氧化物高得多，不需要经历任何固相相变，具有较好的抗热震性，在高温下仍具有高强度。这类碳化物陶瓷的断裂韧性和抗氧化性非常低，为了克服陶瓷的脆性，通常采用纤维来增强增韧。2000年，美国宇航局对由不同公司生产的可能用于Hyper-X计划的X-43A(7马赫)鼻锥和前缘的l3种材料体系进行了电弧加热器烧蚀测试。结果表明，RCI公司生产的炭纤维增强HfC基复合材料效果最好，它完成所有的10min10次循环，3次循环质量损失1．30％ ，5次循环质量损失3．28％ ，10次循环质量损失10．33％ ；完成了1h的持续加热，质量损失1．12％。
(2)硼化物陶瓷基复合材料
研究表明，ZrB2和HfB2基陶瓷复合材料的脆性和室温强度可以通过合理选择原材料的组分、纯度和颗粒度来克服，它们的共价键很强的特性决定了它们很难烧结和致密化。为了改善其烧结性，提高致密度，可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、延迟材料的蒸发、加快物质的传输速率、促进颗粒的重排及提高传质动力学来解决。
(3) C／C复合材料
C／C复合材料具有重量轻、比强度高、比刚度高、模量高、热膨胀系数低、高温下强度高、良好的烧蚀性能和较大温度范围的抗蠕变能力，以及良好的抗热震性能等优点。
从室温至2 000℃范围内，C／C复合材料的强度随温度升高而增加，2 500℃时仍具有较高的强度。与许多金属合金及陶瓷基复合材料相比，C／C复合材料的比强度最高，但其作为高温结构材料的应用极为有限，这是因为在氧化环境中，特别是超过350℃ ，其使用效果非常差，在500℃以上会燃烧。因此，开发可靠的氧化保护系统对发挥C／C复合材料的全部潜能非常关键。为此，许多研究机构对该问题进行了深入的研究，如通过向基体中添加SiO2、ZrO2、Al203，等和改进表面涂层来研究对抗氧化性的影响。美、俄、法等国家近年来提出用难熔碳化物涂层来提高炭一炭复合材料的抗氧化能力，降低烧蚀率，承受更高的燃气温度或更长的工作时间，所用的难熔碳化物有SiC、HfC、TaC、NbC、ZrC等。
