Важный материал для оборонной промышленности - сверхвысокотемпературная керамика

В связи с быстрым развитием авиакосмических технологий и острой необходимостью реализовать интеграцию систем наземного, морского, воздушного и космического базирования, исследование гиперзвуковых летательных аппаратов стало ключевыми областями развития многонациональных авиакосмических отделов в последние годы. В экстремальных условиях таких, как длительный полет на крейсерских гиперзвуковых скоростях, полет в разных атмосферных условиях, возврат в атмосферу, ключевые компоненты летательного аппарата предъявляют повышенные требования к характеристикам материалов. Экстремальная среда обычно относится к комплексной среде, состоящей из высокой температуры, реакционной атмосферы, механической нагрузки и износа. В соответствии с данными требованиями появились сверхтемпературные материалы.

В настоящее время предполагается использовать материалы при температуре выше 1800 ℃, включающие в себя тугоплавкие металлические материалы, композитные материалы на основе керамики, композитные углерод-углеродный материалы. Однако тугоплавкие металлические материалы имеют высокую плотность, плохие разработанные характеристики и низкую стойкость к окислению, не подходят в качестве теплозащитных материалов для гиперзвуковых летательных аппаратов. Хотя композитные материалы C/C используются в областях ракет и космических кораблей, но они легко окисляются при высоких температурах, что ограниченно ими использовать при сверхвысоких температурах. Композиты на основе керамики благодаря их высокоплавкоти, высокой твердости, высокой теплопроводности, умеренному коэффициенту теплового расширения, имея хорошую абляционную стойкость и химическую стабильность, считаются наиболее перспективными теплозащитными материалами для важных компонентов гиперзвуковых летательных аппаратов и спускаемых аппаратов. 

Ультравысокотемпературная керамика(UHTC), как правило, относится к классу особых керамических материалов с температурой плавления превышающей 3000°C, сохраняющих стабильные физико-химические свойства в экстремальных условиях, обычно включающие бориды переходных металлов, карбиды, нитриды и их композиционные материалы.

Жизненный цикл UHTC обычно состоит из двух этапов: приготовление и применение. Принимая бориды UHTC в качестве примера, на стадии приготовления оксидами переходных металлов или переходного металла и исходного соединения бора, в качестве сырья синтезирован порошок борида переходного металла посредством химической реакции. Затем боридный порошок превращается в окускованный материал методом прессования, термокомпрессии или спекания в искровой плазме. На стадии применения при работе в экстремальных условиях, состоящих из высокой температуры, реакционной атмосферы, нагрузки, абляции и других факторов, MeB2 легко окисляется и разлагается.

построение сверхвысокотемпературной керамики

Если высокотемпературная керамика используется в авиакосмической области, то необходимо иметь более высокую температуру плавления и более низкую плотность. Среди многих материалов, бориды, карбиды и нитриды переходных металлов должны соответствовать этому требованию: их температуры плавления выше 3000°C, а плотность керамики ZrB2 может составлять всего 6,12 г / см3.

керамика боридов

Сверхтемпературная боридная керамика в основном включает керамику HfB2, ZrB2, TaB2, TiB2 и YB4. Поскольку эти керамические материалы содержат прочные ковалентные связи, поэтому они обладают характеристиками высокой температуры плавления, высокой твердости, высокой прочности, низкой скорости испарения, высокой теплопроводности и электропроводности. В настоящее время среди боридной керамики ZrB2 и HfB2 являются наиболее широко изученными UHTC, но их широкое применение ограничено из-за низкой стойкости к окислению.

керамика карбидов

Среди карбидной керамики ZrC, HfC, TaC, TiC и т. д. могут применяться в условиях сверхвысоких температур. Эта группа керамики имеет очень высокую температуру плавления, не происходит изменение твердого состояния в процессе нагревания или охлаждения, имеет лучшую стойкость к тепловому удару и более высокую жаропрочность, но вязкость разрушения карбидных UHTC низка, стойкость к окислению плохая.

В ряду карбидов UHTC низкая цена, высокая температура плавления, высокая твердость, отличная электропроводность, теплопроводность и другие свойства у карбида ZrC, который является весьма перспективным материалом. Чистая фаза ZrC имеет плохую стойкость к окислению при высокой температуре и обычно используется в сочетании с другими материалами. Керамика HfC имеет более высокую температуру плавления и твердость и относительно низкий коэффициент линейного расширения, что удовлетворяет требованиям применения в экстремальных условиях. Недостатком является плохая стойкость к окислению. TaC получил широкое применение в режущих инструментах, электронных материалах, абразивных материалах, конструкционных материалах ракет, материалах футеровки горловины ракетных двигателей и других областях благодаря его высокой температуре плавления, низкой плотности, высокой твердости и хорошим характеристикам при высоких температурах. Однако сам по себе ТаС имеет плохую ударную вязкость и низкую стойкость к окислению,  его практическое применение ограничено.

высокотемпературная нитридная керамика

Нитридные керамики со сверхвысокими температурами, такие как ZrN, HfN и TaN, также имеют хорошие характеристики. Все нитриды переходных металлов имеют более высокие температуры плавления. Однако температура плавления таких тугоплавких нитридов связана с давлением окружающей среды, и не все тугоплавкие нитриды подходят для работы в окислительной среде с высокой температурой и высоким давлением. Нитриды переходных металлов имеют важное применение на закаленной поверхности режущих инструментов. По сравнению со сверхтемпературной боридной и карбидной керамикой исследование стойкости нитридных UHTC к окислению относительно мало.