超高温材料

超高温材料目录超高温材料的定义超高温材料的分类超高温材料的应用123一、超高温材料的定义就目前而言，超高温材料没有明确的温度界限。由于各种超音速飞机、航天飞机在飞行中其表面与空气摩擦产生的高温可达到1800—2000℃。因此，为了研究方便，将超高温材料定义为：在有应力和氧化的环境下，能够最低在2000℃温度下照常使用的高级材料。二、超高温材料的分类超高温材料主要包括：1、难熔金属及其合金2、金属间化合物3、碳/碳复合材料4、陶瓷及其复合材料1、难熔金属及其合金在各种材料中，难熔金属是最早进行研究和得到应用的超高温材料。按照熔点由高到底，可以达到超高温材料使用温度的难熔金属主要包括10种，如表1所示。其中研究和应用最多的主要是W、Re、Nb、Mo等金属，而Re的熔点很高，为3180℃，具有优异的高温强度、抗磨性和抗腐蚀性，备受研究者推崇。2、金属间化合物金属间化合物习惯上又称中间相，是合金中除固溶体之外的第二类重要合金相。它是介于金属合金和陶瓷之间的一类材料，与陶瓷相比具有较低的脆性，与金属相比又具有较高的熔点温度。现在已知的金属间化合物中熔点超过1500℃的就有300多种。目前金属间化合物的一般使用温度仅为900—1100℃，远没有达到超高温的范畴，只有MoSi2的使用温度已超过1600℃，而且具有良好的高温抗氧化性，密度低(6.24g/cm3)，良好的导热性和导电性。3、碳/碳复合材料碳/碳复合材料是一种以碳为基体，由碳纤维或其制品(碳毡或碳布)增强的复合材料。碳/碳复合材料具有许多优异的性能：高比模量、高比强度、抗热冲击性能好等，最重要的是这种材料随着温度的升高(可达2200℃)其强度不降低，甚至比室温时还要高，这是其它材料无法比拟的。但这种优势性能只在惰性气氛下才能保持，在空气中400℃以上它就开始与空气中的O2、H2O、CO2等发生化学反应而引起失重和性能降低，因此必须对碳/碳复合材料进行抗氧化处理。制备碳/碳复合材料产品通常首先将碳纤维制成与产品形状相似的增强体坯件。坯件通过纤维编织、缠绕、模压等方法制成。然后在碳纤维坯件中导入碳源物质，通过加温使其热解碳化形成碳基体。4、陶瓷及其复合材料超高温陶瓷材料，尤其是难溶金属Zr、Hf和Ta的碳化物、硼化物，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。表3为目前研究最多的几种碳化物和硼化物。（1）、碳化物在碳化物中，适合作为超高温使用的有HfC、ZrC和TiC等。它们的熔点比它们的氧化物高很多，不发生任何固相相变，并具有较好的热震性，在高温下还具有高强度。但它们会在1725~1980℃内显示出脆性至延展性的转变。HfC陶瓷的熔点高达3928℃，且具有相对低的线膨胀系数、较高的硬度，能较好满足超高温环境下的使用要求，缺点主要表现为抗氧化性能相对较差。ZrC陶瓷的性质与HfC相似。ZrC在高温氧化为ZrO2。ZrO2也具有较高的熔点(2700℃)，但会随着温度的转变，发生结构转变，低温时为单斜晶，密度为5.56g/cm3，高温为四方晶体，密度为6.10g/cm3，而在发生结构转变时就会有9%的体积变化。此外，TiC的熔点高达3250℃，具有良好的耐磨性和抗氧化性，但其强度和韧性不足。（2）、硼化物超高温硼化物主要包括硼化锆(ZrB2)、硼化铪(HfB2)、硼化钛(TiB2)和硼化钽(TaB2)。它们都由强共价键构成，因而具有高熔点、高硬度、低蒸发率，以及高热导率和电导率，相对于其它陶瓷，还具有良好的抗热震性能。ZrB2具有高熔点、高硬度、高稳定性、良好的导电性、导热性和良好的抗腐蚀性等特点。已广泛用作各种高温材料及功能材料，如钢水连续测温套管，连续铸钢浸入式水口，航空工业中涡轮叶片，磁流体发电机电极和特种电路中高温发热原料，切割加工工具等等。制备ZrB2的方法很多，归结起来主要有以下几种：(1)金属直接合成法：Zr+B→ZrB2(2)碳或碳硼还原法：金属(或金属氢化物、碳化物)与碳化硼反应生成ZrB2:ZrO2+B2O3+C→ZrB2+COZrO2+B4C3+C→ZrB2+COZr(ZrH4、、ZrC)+B4C(+B2O3)→ZrB2+CO比较常用的方法是在碳存在的情况下用金属氧化物同碳化硼作用，制备硼化物。(3)电解含有金属氧化物和B2O3的熔融盐浴(4)SHS(自蔓延高温合成法):SHS方法是前苏联科学家Mezhanov教授于1967年提出来的一种材料合成新工艺，它巧妙的利用化学反应放出来的热量来进行材料合成与制备。传统的SHS方法利用以下反应:ZrO2+B2O3+Al(Mg)→ZrB2+Al(Mg)O，来获得二硼化锆粉末。三、超高温材料的应用超高温材料主要使用在航空航天领域火箭、各类空间返回舱、卫星调姿发动机等的超耐热部件和次耐热部件上，而且许多情况下，超高温材料是作为唯一选择而使用的。如目前火箭燃烧室使用极限是1450℃，仅为助推剂燃烧温度的50%左右。所以开发出具有2200—3000℃使用温度的超高温材料，对于提高火箭燃烧室的极限使用温度，进而得到燃烧更为彻底的火箭发动机极其重要。超高温材料中应用最早的是难熔金属合金，特别是铼和铼合金，而且有些情况下，铼的应用是无可替代的，如火箭发射时，几秒钟内便加热到接近铼熔点的高温，进人宇航空间后，温度又急剧下降到零度以下，只有具有优良高温抗蠕变性能的铼和铼合金才能满足这种要求。碳/碳复合材料自20世纪50年代末问世以来就引起了全世界的关注，各发达国家纷纷投入这方面的研究。到20世纪60年代末至70年代初，美国就将其用于火箭喷管，英国用于协和号飞机刹车盘。80年代以后，更多国家进人了这一研究领域，在提高性能、快速致密化工艺研究及扩大应用等方面取得了很大进展。目前碳/碳复合材料的使用主要是在各种刹车件和热端部件上。陶瓷基复合材料由于其低密度、高硬度、高熔点等优点可用来制造火箭发动机的各种超高温工作零件，如美国NASA研究的ZrB2/SiC、HfB2/SiC和ZrB2/SiC/C等超高温材料，将用于载人飞行器的鼻锥上。先进的超高温材料对于开发下一代可重复使用的太空飞行器、火箭发动机和超高音速宇宙飞船非常关键，前景也会更加广阔！