所謂的超高溫材料，指的是在應(yīng)力、氧化等嚴(yán)苛的環(huán)境，以及約在2000℃超高溫狀態(tài)下仍能照常使用的最耐熱的高級(jí)材料，它們被廣泛應(yīng)用在航空航天等高科技領(lǐng)域，如高超音速環(huán)境下機(jī)翼前緣、飛行器鼻錐，航天器的燃燒室前部等。

超高溫材料中，難熔金屬及其合金和碳碳復(fù)合材料等因其抗氧化性能較差限制頗多，因?yàn)槟壳皣?guó)內(nèi)外的超高溫材料發(fā)展重心轉(zhuǎn)移至超高溫陶瓷，主要可分為碳化物陶瓷、硼化物陶瓷和氮化物陶瓷三類。

其中碳化物的熔點(diǎn)可達(dá)3000℃以上，且碳化物的熔點(diǎn)不存在高溫轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，這使得它在超高溫陶瓷領(lǐng)域占領(lǐng)一席之地，主要有碳化鉿(HfC)、碳化鉭(TaC)和碳化鋯(ZrC)等——其中，HfC和TaC成本較高，制備技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備的要求很高，因此二者大規(guī)模使用受到限制。而ZrC因性價(jià)比較高而備受青睞，成為了高溫材料屆的“扛把子”級(jí)別存在。

不同類型的耐火材料熔點(diǎn)對(duì)比

一、碳化鋯的性能優(yōu)勢(shì)

下圖是ZrC的晶體結(jié)構(gòu)（面心立方晶體結(jié)構(gòu)），Zr原子組成立方晶格，C原子位于晶格的八面體間隙位置。在碳-鋯化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中存在很寬范圍的非化學(xué)計(jì)量現(xiàn)象，即ZrCx（0.5≤x≤1）。因此碳化鋯（ZrC）是一種非化學(xué)計(jì)量間隙化合物，ZrC陶瓷材料中普遍存在著碳空位。

ZrC 的晶體結(jié)構(gòu)

ZrC的一系列優(yōu)良特性都?xì)w因于其特殊結(jié)構(gòu)，所以具有高硬度（顯微硬度為26Gpa），高熔點(diǎn)（3400℃），優(yōu)異的高溫機(jī)械性能，良好的耐磨性和腐蝕性，抗裂變產(chǎn)物攻擊和低中子截面等優(yōu)異的物化性能。因此，ZrC陶瓷材料可以應(yīng)用在眾多領(lǐng)域中，例如：刀具，耐磨材料等。

此外，ZrC還具有超高的硬度，可作為研磨材料，用于各種各樣硬金屬、玻璃或者剛玉的加工；ZrC因強(qiáng)度和硬度較高，熱中子吸收截面小、耐輻射性能好等優(yōu)良性能被作為包覆核燃料顆粒阻擋層最具潛力的新材料。

核燃料元件

ZrC陶瓷可作為基體，通過引入其他相來改善其抗氧化性能和力學(xué)性能，比如在ZrC中添加金屬M(fèi)o，采用不同的燒結(jié)方法（無壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)等）可以制備出不同Mo含量的Zr-Mo復(fù)合材料。另一方面，ZrC陶瓷作為增強(qiáng)相引入其他材料中，可以改良整體材料的性能。

最后，ZrC的基本性質(zhì)表可看下表：

二、碳化鋯的制備要點(diǎn)

粉體合成方面，目前國(guó)內(nèi)外制備超高溫ZrC粉體的主要方法有：直接合成、自蔓延高溫合成、激光氣相反應(yīng)、碳熱還原法等。直接合成法合成的ZrC粉末粒度粗大，活性低，需要超高溫度，能耗高，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)；自蔓延高溫合成反應(yīng)過程不易控制，影響產(chǎn)物的性能；激光氣相反應(yīng)設(shè)備原料昂貴，生產(chǎn)成本高；碳熱還原反應(yīng)所用原料較廉價(jià)，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，適合工業(yè)生產(chǎn)，但是由于原料混合的均勻度不夠理想和反應(yīng)的不完全而使合成的粉體純度不高。而采用溶膠凝膠法，不僅能夠獲得均勻的ZrC前驅(qū)體，而且經(jīng)過高溫裂解還可得到粒徑小、純度高的ZrC納米粉體，但目前前驅(qū)體穩(wěn)定性不易控制，生產(chǎn)工藝復(fù)雜。因此簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品性能成為研究的要點(diǎn)。

ZrC 粉體的SEM圖像

陶瓷成型燒結(jié)方面，一般有熱壓燒結(jié)、無壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等燒結(jié)方法。由于大規(guī)模生產(chǎn)的需求，目前應(yīng)用的最廣泛的燒結(jié)方法主要為熱壓燒結(jié)和無壓燒結(jié)技術(shù)。前者是粉末冶金工藝中最基本的燒結(jié)方法，優(yōu)點(diǎn)為成本較低，可制造尺寸大和形狀復(fù)雜的樣品等，其缺點(diǎn)為材料致密化所需的燒結(jié)溫度高，其中陶瓷材料的無壓燒結(jié)甚至需要燒結(jié)助劑的輔助；后者是在燒結(jié)過程中施加單向壓力的燒結(jié)工藝。該方法的優(yōu)點(diǎn)為能獲得致密度高、力學(xué)性能優(yōu)良的陶瓷樣品，缺點(diǎn)為陶瓷材料致密化燒結(jié)溫度仍較高、工藝復(fù)雜、無法制備尺寸較大和形狀復(fù)雜的樣品等。

目前，ZrC陶瓷燒結(jié)方面面臨的主要問題是過程中要求相當(dāng)高的燒結(jié)溫度（>2000℃）并同時(shí)在燒結(jié)過程中需要一定壓力的輔助，這就造成了能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重、自動(dòng)化程度低等弊端。

目前，為了降低ZrC陶瓷的燒結(jié)溫度，提高陶瓷制品的致密度，除了燒結(jié)工藝外，一般采用細(xì)化顆粒和添加燒結(jié)助劑的方法。就細(xì)化顆粒方面而言，Beatriz等采用高能球磨法球磨3 h后ZrC粉末粒徑從3μm降低到幾納米，燒結(jié)致密化溫度從2100℃降低到1850℃。研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間高能球磨獲得的納米微晶形成了團(tuán)聚體，并且制品中的孔隙大小與粉末中的團(tuán)聚體大小成正比。由此，細(xì)化晶粒方面除了破碎晶粒外，還需要注意粉末分散的問題。就燒結(jié)助劑方面而言，為了獲得致密度高和力學(xué)性能優(yōu)異的陶瓷制品，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)B元素可以降低去除粉末的表面氧化層，促進(jìn)自擴(kuò)散，有效地增強(qiáng)粉末的燒結(jié)性；Si元素可以在燒結(jié)過程中產(chǎn)生液相，填充氣孔，從而提高陶瓷制品的致密度。

資料來源：

黎翔. 碳化鋯陶瓷的低溫?zé)Y(jié)及其力學(xué)性能研究[D]. 吉林:長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué),2022. 王雪穎.

超高溫碳化鋯前驅(qū)體、納米粉體的制備及相關(guān)機(jī)理研究[D]. 景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué),2022.

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