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,如难熔金属,陶瓷基复合材料。


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 。


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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。