所謂的超高溫材料，指的是在應力、氧化等嚴苛的環境，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，它們被廣泛應用在航空航天等高科技領域，如高超音速環境下機翼前緣、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合材料等因其抗氧化性能較差限制頗多，因為目前國內外的超高溫材料發展重心轉移至超高溫陶瓷，主要可分為碳化物陶瓷、硼化物陶瓷和氮化物陶瓷三類。

其中碳化物的熔點可達3000℃以上，且碳化物的熔點不存在高溫轉變現象，這使得它在超高溫陶瓷領域占領一席之地，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，制備技術和生產設備的要求很高，因此二者大規模使用受到限制。而ZrC因性價比較高而備受青睞，成為了高溫材料屆的“扛把子”級別存在。

不同類型的耐火材料熔點對比

一、碳化鋯的性能優勢

下圖是ZrC的晶體結構（面心立方晶體結構），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-鋯化學反應系統中存在很寬范圍的非化學計量現象，即ZrCx（0.5≤x≤1）。因此碳化鋯（ZrC）是一種非化學計量間隙化合物，ZrC陶瓷材料中普遍存在著碳空位。

ZrC 的晶體結構

ZrC的一系列優良特性都歸因于其特殊結構，所以具有高硬度（顯微硬度為26Gpa），高熔點（3400℃），優異的高溫機械性能，良好的耐磨性和腐蝕性，抗裂變產物攻擊和低中子截面等優異的物化性能。因此，ZrC陶瓷材料可以應用在眾多領域中，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因強度和硬度較高，熱中子吸收截面小、耐輻射性能好等優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性能，比如在ZrC中添加金屬Mo，采用不同的燒結方法（無壓燒結、熱等靜壓燒結等）可以制備出不同Mo含量的Zr-Mo復合材料。另一方面，ZrC陶瓷作為增強相引入其他材料中，可以改良整體材料的性能。

最后，ZrC的基本性質表可看下表：

二、碳化鋯的制備要點

粉體合成方面，目前國內外制備超高溫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、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，難以實現工業化生產；自蔓延高溫合成反應過程不易控制，影響產物的性能；激光氣相反應設備原料昂貴，生產成本高；碳熱還原反應所用原料較廉價，生產工藝簡單，適合工業生產，但是由于原料混合的均勻度不夠理想和反應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前驅體，而且經過高溫裂解還可得到粒徑小、純度高的ZrC納米粉體，但目前前驅體穩定性不易控制，生產工藝復雜。因此簡化生產工藝、提高產品性能成為研究的要點。

ZrC 粉體的SEM圖像

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

目前，ZrC陶瓷燒結方面面臨的主要問題是過程中要求相當高的燒結溫度（>2000℃）并同時在燒結過程中需要一定壓力的輔助，這就造成了能耗高、環境污染嚴重、自動化程度低等弊端。

目前，為了降低ZrC陶瓷的燒結溫度，提高陶瓷制品的致密度，除了燒結工藝外，一般采用細化顆粒和添加燒結助劑的方法。就細化顆粒方面而言，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，燒結致密化溫度從2100℃降低到1850℃。研究發現長時間高能球磨獲得的納米微晶形成了團聚體，并且制品中的孔隙大小與粉末中的團聚體大小成正比。由此，細化晶粒方面除了破碎晶粒外，還需要注意粉末分散的問題。就燒結助劑方面而言，為了獲得致密度高和力學性能優異的陶瓷制品，學者們發現B元素可以降低去除粉末的表面氧化層，促進自擴散，有效地增強粉末的燒結性；Si元素可以在燒結過程中產生液相，填充氣孔，從而提高陶瓷制品的致密度。

資料來源：

黎翔. 碳化鋯陶瓷的低溫燒結及其力學性能研究[D]. 吉林:長春工業大學,2022. 王雪穎.

超高溫碳化鋯前驅體、納米粉體的制備及相關機理研究[D]. 景德鎮陶瓷大學,2022.

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