ZrC陶瓷材料因其具有高熔點、低密度、耐磨損。優異的耐溫性能和抗氧化燒蝕性能，能夠勝任高超聲速飛行器鼻錐、翼前緣以及航空沖壓發動機噴管的服役環境，可以作為高超聲速飛行器極端熱部件的候選材料之一而受到廣泛關注。圖1為ZrC等超高溫陶瓷材料在高超聲速飛行器中的應用部位。表1為ZrC陶瓷材料的各物相參數。目前，關于ZrC陶瓷材料的研究主要集中在改善ZrC陶瓷材料的燒結性能、低溫抗氧化性能和提高材料的斷裂韌性三個方面。

圖1 ZrC等超高溫陶瓷材料在高超聲速飛行器中的應用

表1 ZrC陶瓷材料的各物相參數

1. ZrC陶瓷材料的燒結性能

由于ZrC陶瓷材料極高的熔點，為了使該材料實現燒結致密化，一般需要在較高的燒結溫度（≥1800℃）和壓力（?20MPa）下進行，即熱壓燒結工藝。同時也有學者采用無壓燒結、反應熱壓燒結以及放電等離子體燒結技術實現ZrC陶瓷材料的致密化。

1.1 熱壓燒結

目前，熱壓燒結（Hot-pressing，HP）是ZrC基超高溫陶瓷材料運用最多的燒結致密化方式。熱壓燒結可以在一定壓力條件作用下通過改變燒結溫度而使燒結坯體致密化，也可以在一定燒結溫度下通過調整外加壓力而使坯體燒結致密化。

優點：（1）所需的成型壓力僅為冷壓法的1/10；

（2）降低燒結溫度和縮短燒結時間，抑制了晶粒的長大

缺點：（1）熱壓燒結的材料各向異性，平行熱壓與垂直熱壓方向材料性能差異大；

（2）熱壓燒結的材料幾何形狀單一、尺寸較小；

（3）熱壓燒結材料需要進行高成本、長耗時以及工藝復雜的后續加工。

1.2 無壓燒結

相對于傳統的熱壓燒結制備超高溫陶瓷材料而言，其無壓燒結工藝制備超高溫陶瓷材料具有眾多優異的特點，因其燒結工藝過程中不需要額外施外力作用，可以實現較為復雜超高溫陶瓷材料的成型且不產生缺陷，進而使陶瓷生坯燒結致密化。通常超高溫陶瓷材料的無壓燒結結合相應生坯制備工藝進行，如對超高溫陶瓷粉體進行凝膠注模成型后，干燥排膠后進行無壓燒結，或對陶瓷粉體進行冷等靜壓后再進行無壓燒結，進而得到致密均勻的超高溫陶瓷燒結體。

優點：（1）能夠實現陶瓷材料的近凈成形而不需要額外加工；

（2）所制備的陶瓷材料具有各向同性的特性，故性能穩定

缺點：（1）通常需要引入燒結助劑進行燒結致密化

（2）無壓燒結溫度較高，成本相對較高。

1.3反應熱壓燒結

反應熱壓燒結（Reactivehot-pressing，RHP）制備超高溫陶瓷材料包括了陶瓷粉體的原位反應和熱壓燒結致密化兩個階段。其最大的優點在于直接原位合成超高溫陶瓷粉體，且合成的粉體能保證混合均勻，這就避免了傳統燒結工藝中需要將ZrC陶瓷粉體進行長時間機械混合的流程。反應熱壓燒結將原位合成的ZrC陶瓷粉體直接進行熱壓燒結，縮短了制備周期且生產效率高。

1.4 放電等離子體燒結

放電等離子燒結（Spark Plasma Sintering，SPS）制備ZrC陶瓷材料原理是：通過專用的電機產生強大的脈沖直流電壓，該脈沖電壓傳遞到ZrC陶瓷粉體上時，將在ZrC粉體空隙內產生放電等離子體進而進行ZrC粉體燒結致密化，進而得到均勻致密的ZrC陶瓷材料。

2. ZrC陶瓷材料抗氧化性能

碳化物陶瓷的低溫抗氧化性差主要是由于：碳化物陶瓷的起始氧化溫度低（如ZrC的起始氧化溫度為450℃），而其氧化產物的熔點又太高，且在溫度相對較低（<1900< span="">℃）時呈粉末狀固體，無法阻止氧氣對材料內部的侵蝕。目前，對于ZrC陶瓷的低溫易氧化問題尚無好的解決辦法，僅能通過引入添加劑在一定程度上緩解。

然而，ZrC陶瓷材料在高溫環境下具有優異的抗氧化燒蝕性能，這主要是由于ZrC陶瓷在超高溫、氧化環境下可形成高粘度的玻璃態氧化物ZrO₂等，這些玻璃態物質覆蓋在材料表面可阻擋氧進入材料內部，從而對內層材料起到保護作用。

3. ZrC陶瓷材料的斷裂韌性

長期以來，耐超高溫陶瓷材料及其構件主要通過燒結工藝制備，所得陶瓷的斷裂韌性較低（一般在2~4MPa·m^1/2左右）、抗熱震性能差，在快速升溫過程中容易發生破壞，從而引起災難性失效。因此，改善ZrC陶瓷材料的本證脆性是后期材料工作者的研究重點。

目前，引入第二相增強增韌相能夠有效改善ZrC陶瓷材料的本證脆性。所涉及到的增韌方式主要包括：相變增韌、顆粒增韌、晶須增韌以及纖維增韌等。

相變增韌：相變增韌最主要的實例為ZrO₂顆粒引入陶瓷基體中發揮相變增韌效應。ZrO₂晶粒具有3種同質異構體，即立方晶相、四方晶相和單斜晶相，其中立方晶相在大于2300℃下能穩定存在；單斜晶相在小于1100℃下能穩定存在；而四方晶相的穩定溫度大于1100℃。ZrO₂顆粒一般以四方相存在，燒結后冷卻到某一溫度時，即發生馬氏體相變，轉變成單斜ZrO₂，并伴隨著一定的體積膨脹和晶粒形狀的變化，從而達到相變增韌的效果。圖2為ZrC- ZrO2陶瓷材料的相變增韌裂紋擴展掃描圖。

圖2 ZrC-ZrO₂陶瓷材料的相變增韌裂紋擴展掃描圖

顆粒增韌：顆粒增韌主要包括延性顆粒或剛性顆粒增韌機制。延性顆粒增韌機制為：在外力作用下產生一定的塑性變形或沿著晶界滑移產生蠕變來緩解應力集中，達到增強增韌的效果；剛性顆粒增韌機制為：在脆質基質中，由于存在彌散顆粒，使主裂紋擴展受阻，裂紋前緣在顆粒間發生彎曲，產生線張力，從而提高了斷裂能，產生增韌效果。圖3為SiC顆粒增韌ZrC陶瓷材料的掃描圖。

圖3 SiC顆粒增韌ZrC陶瓷材料掃描圖

晶須增韌：晶須是具有一定長徑比的單晶纖維材料，晶體的結晶相成分單一，結構完整，內部缺陷少，并且具有高強、高韌性、耐熱、耐磨等優點，已經作為增韌劑廣泛應用于陶瓷基體中，其增韌機制與短纖維增韌機制相似，主要有裂紋彎曲和偏轉、晶須脫粘、拔出和橋聯、微裂紋增韌等；圖4為SiC晶須增韌ZrC陶瓷材料掃描圖。

圖4 SiC晶須增韌ZrC陶瓷材料掃描圖

纖維增韌：連續纖維具有大長徑比、高強度等特點，可以實現自由鋪設或編織成型，且與陶瓷基體具有良好的結合性，能有效地傳遞載荷、產生與相變增韌類似的基體預應力，并通過裂紋分岔、裂紋偏轉、纖維拔出、纖維橋聯等機制提高裂紋擴展所吸收的能量，從而可以大幅增加ZrC陶瓷材料的斷裂韌性，以提高其抗突發性破壞的能力。引入連續纖維作為增韌相被認為是提高ZrC陶瓷材料斷裂韌性的最有效方法。圖5為碳纖維增韌ZrC陶瓷材料微觀組織形貌。

圖5 碳纖維增韌ZrC陶瓷材料微觀組織形貌

投稿作者：小龍

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