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超高溫材料

化工 9547 171

什麼是超高溫材料[1]

  超高溫材料是指在應力、氧化等授嚴苛的環境,以及約在2000℃超高溫狀態下仍能照常使用的最耐熱的高級材料。

超高溫材料的研究及應用[2]

  1.難熔金屬

  難熔金屬(W、Mo、Ta、Nb、Zr等)及其合金具有熔點高、耐高溫和抗腐蝕強等突出優點,應用領域涉及固液火箭發動機、重返大氣層的航天器和航天核動力系統等 。

  2.陶瓷基複合材料

  超高溫陶瓷材料,尤其是難溶金屬Zr、Hf和Ta的硼化物、碳化物,代表了在2000℃以上可用的候選材料,具有優異的物理性能,包括罕見的高熔點、高熱導率、高彈性模量,並能在高溫下保持很高的強度,同時還具有良好的抗熱震性和適中的熱膨脹率,是未來超高溫領域最有前途的材料。

  (1)碳化物陶瓷基複合材料

  碳化鉿(HfC)、碳化鋯(ZrC)和碳化鉭(TaC)的熔點比它們的氧化物高得多,不需要經歷任何固相相變,具有較好的抗熱震性,在高溫下仍具有高強度。這類碳化物陶瓷的斷裂韌性和抗氧化性非常低,為了剋服陶瓷的脆性,通常採用纖維來增強增韌。2000年,美國宇航局對由不同公司生產的可能用於Hyper-X計劃的X-43A(7馬赫)鼻錐和前緣的l3種材料體系進行了電弧加熱器燒蝕測試。結果表明,RCI公司生產的炭纖維增強HfC基複合材料效果最好,它完成所有的10min10次迴圈,3次迴圈質量損失1.30% ,5次迴圈質量損失3.28% ,10次迴圈質量損失10.33% ;完成了1h的持續加熱,質量損失

1.12%。

  (2)硼化物陶瓷基複合材料

  研究表明,ZrB2HfB2基陶瓷複合材料的脆性和室溫強度可以通過合理選擇原材料的組分、純度和顆粒度來剋服,它們的共價鍵很強的特性決定了它們很難燒結和緻密化。為了改善其燒結性,提高緻密度,可通過提高反應物的錶面能、降低生成物的晶界能、提高材料的體擴散率、延遲材料的蒸發、加快物質的傳輸速率、促進顆粒的重排及提高傳質動力學來解決。

  (3) C/C複合材料

  C/C複合材料具有重量輕、比強度高、比剛度高、模量高、熱膨脹繫數低、高溫下強度高、良好的燒蝕性能和較大溫度範圍的抗蠕變能力,以及良好的抗熱震性能等優點。

  從室溫至2 000℃範圍內,C/C複合材料的強度隨溫度升高而增加,2 500℃時仍具有較高的強度。與許多金屬合金及陶瓷基複合材料相比,C/C複合材料的比強度最高,但其作為高溫結構材料的應用極為有限,這是因為在氧化環境中,特別是超過350℃ ,其使用效果非常差,在500℃以上會燃燒。因此,開發可靠的氧化保護系統對發揮C/C複合材料的全部潛能非常關鍵。為此,許多研究機構對該問題進行了深入的研究,如通過向基體中添加SiO2ZrO2Al203,等和改進錶面塗層來研究對抗氧化性的影響。美、俄、法等國家近年來提出用難熔碳化物塗層來提高炭一炭複合材料的抗氧化能力,降低燒蝕率,承受更高的燃氣溫度或更長的工作時間

,所用的難熔碳化物有SiC、HfC、TaC、NbC、ZrC等。

參考文獻

  1. ↑ 王英.超高溫材料的開發現狀及展望[J].遼寧科技,1996(1)
  2. ↑ 韓傑才,胡平,張幸紅,孟松鶴.超高溫材料的研究進展[J].固體火箭技術,2005(4)