介绍超高温度陶瓷

超高温陶瓷(UHTCs)是一类材料,可用于环境表现出极端温度、化学反应性、腐蚀性攻击,等等。亚博网站下载¹极端环境中可以考虑作为应用程序包括处理遇到的熔融金属和电弧炉的电极,但本文将专注于材料检测等航空航天应用超音速飞行,超燃冲压发动机推进,火箭推进,大气返回。亚博网站下载

图1。X43-A概念设计,一个可重用的高超音速飞行器利用UHTC前缘和控制表面。图片由美国宇航局。

各种标准可用于定义UHTCs包括最终的使用温度、环境阻力,在高温和力量。对于本文,UHTCs被定义为化合物与熔化温度超过3000°C。²使用熔化温度标准,只有少数材料可分为UHTCs,大部分硼化物、碳化物、氮化物早期的过渡金属。亚博网站下载

表1列出了一些化合物,满足熔化温度标准。从1950年代到大约1970,其中许多化合物广泛的研究在美国和苏联的航天应用潜力。经过一段时期的相对静止,UHTCs研究近年来经历了复兴与重大努力的国家包括中国、日本、意大利、乌克兰和美国。

表1。一些陶瓷报道熔化温度为3000°C和更高。融化温度估计从相图。³

复合	熔化温度(°C)
矿2	3225年
ZrB2	3247年
NbB2	3036年
HfB2	3380年
选项卡2	3037年
抽搐	3067年
ZrC	3445年
美国全国广播公司	3610年
氢氟烃	3928年
TaC	3997年

本文的其余部分讨论的两类主要UHTCs正在考虑航天应用、硼化物和碳化物。

硼化

硼化物陶瓷提供了一个不寻常的组合ceramic-like属性包括高熔点(> 3000°C),弹性模量(~ 500 GPa)和硬度(> 20 GPa)与金属高导电性(~ 10等特点⁷S / m)和热导率(60 - 120 W / m•K)。⁴这种组合的属性让UHTCs便于应用,如超音速航天车辆的前缘和大气造成车辆,需要材料来保持其形状在温度超过2000°C。亚博网站下载

此外,这些应用程序需要高导热系数的主要方法去除尖锐前缘的热量通过传导陶瓷。从更大的硼化列表,ZrB₂和HfB₂最受关注的潜在候选人前缘材料因为其抗氧化性能优于其他硼化由于ZrO的稳定亚博网站下载₂和高频振荡器₂尺度,形成在这些材料在高温氧化环境。亚博网站下载²

通常,硼化结合其他如碳化硅或莫西人耐火材料阶段₂提高强度和抗氧化性能。⁵传统上,强化了硼化和boride-based微粒复合材料热压的温度在- 2000°C或更高。最近,添加剂,如C, B₄C,莫西人₂被用来设计无压烧结方法,允许二硼化物陶瓷形状近净成形。^6、7无压致密化的关键似乎开始使用粒子纯度高和平均大小2µm或少再加上添加剂氧化反应,消除杂质出现在粉末粒子的表面。yabo214

图2>。图像显示矩形和圆形盘子由无压烧结或ZrB2粉末。

ZrB室温抗弯强度₂和HfB₂陶瓷通常在300到500 MPa。当第二阶段如碳化硅或莫西人₂出现在体积分数为10%或更高,房间优势在800 MPa已报告1000 MPa以上。^8、9因为该应用程序将公开这些陶瓷2000°C以上的温度,与硼化物陶瓷的关键问题之一是高温强度的保留。

随着温度的增加~ 1000°C,细粒度的硼化物陶瓷的强度(包括那些包含颗粒增援部队如碳化硅或莫西人₂)略有增加。然而,当温度达到1000°C到1200°C的范围,通常强度显著降低,通常下降了50%或更多。为数不多的报道,显示力量保留温度高达1500°C涉及HfB火花等离子烧结₂的陶瓷。¹⁰这还需要进一步的研究来理解的力量和其他硼化物陶瓷的高温性能。

碳化物

碳化硼化相比,陶瓷往往有较高的熔化温度(通常200°C以上高于相应的硼化)热和电气导率和较低的值(导电性ZrC是10⁶S / m比10⁷ZrB S / m₂)。¹¹特别是,TaC被认为是任何材料的熔化温度最高在3997°C。碳化物较低抗氧化在中间温度由于CO气体的形成的氧化产品。¹²然而,碳化物陶瓷TaC显示承诺等环境中使用,包括超高温度、反应阶段,和侵蚀喉咙等固体火箭喷嘴。

碳化物通常作为名义上的单相陶瓷最大化融化温度,避免反应,解决方案的形成,或低共熔体的形成。高熔化温度结合低自扩散系数使碳化物的致密化困难,或在某些情况下,使用传统的商用粉末热压。

进一步致密化的障碍是明显的重叠致密化和晶粒粗化温度制度的发生,从而导致滞留单个颗粒内孔隙的形成多晶陶瓷。¹³结果是,一些碳化物达到似乎限制密度进一步增加在温度可以在某些情况下,会导致产生的陶瓷相对密度降低。

前景

超高温陶瓷的发展在全球航空航天应用程序继续。虽然近年来取得了重大进展在理解基本microstructure-processing-property关系在这些材料中,进一步的工作是要开发应用程序,比如尖锐前缘UHTCs超音速航天汽车为火箭发动机和推进组件。亚博网站下载发展很可能是由“市场拉动”基于性能要求的应用程序需要使用陶瓷由于温度的需求,储蓄相比,重量较重的难熔金属,或者使用更简单的被动的设计而不是更复杂的主动冷却组件。

引用

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