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高温材料届的“扛把子”:碳化锆

       所谓的超高温材料,指的是在应力、氧化等严苛的环境,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,它们被广泛应用在航空航天等高科技领域,如高超音速环境下机翼前缘、飞行器鼻锥,航天器的燃烧室前部等。

       超高温材料中,难熔金属及其合金和碳碳复合材料等因其抗氧化性能较差限制颇多,因为目前国内外的超高温材料发展重心转移至超高温陶瓷,主要可分为碳化物陶瓷、硼化物陶瓷和氮化物陶瓷三类。其中碳化物的熔点可达3000℃以上,且碳化物的熔点不存在高温转变现象,这使得它在超高温陶瓷领域占领一席之地,主要有碳化铪(HfC)、碳化钽(TaC)和碳化锆(ZrC)等——其中,HfC和TaC成本较高,制备技术和生产设备的要求很高,因此二者大规模使用受到限制。而ZrC因性价比较高而备受青睐,成为了高温材料届的“扛把子”级别存在。

不同类型的耐火材料熔点对比--碳化锆的性能优势

       下图是ZrC的晶体结构(面心立方晶体结构),Zr原子组成立方晶格,C原子位于晶格的八面体间隙位置。在碳-锆化学反应系统中存在很宽范围的非化学计量现象,即ZrCx(0.5≤x≤1)。因此碳化锆(ZrC)是一种非化学计量间隙化合物,ZrC陶瓷材料中普遍存在着碳空位。

ZrC 的晶体结构
       ZrC的一系列优良特性都归因于其特殊结构,所以具有高硬度(显微硬度为26Gpa),高熔点(3400℃),优异的高温机械性能,良好的耐磨性和腐蚀性,抗裂变产物攻击和低中子截面等优异的物化性能。因此,ZrC陶瓷材料可以应用在众多领域中,例如:刀具,耐磨材料等。
       此外,ZrC还具有超高的硬度,可作为研磨材料,用于各种各样硬金属、玻璃或者刚玉的加工;ZrC因强度和硬度较高,热中子吸收截面小、耐辐射性能好等优良性能被作为包覆核燃料颗粒阻挡层最具潜力的新材料。

       ZrC陶瓷可作为基体,通过引入其他相来改善其抗氧化性能和力学性能,比如在ZrC中添加金属Mo,采用不同的烧结方法(无压烧结、热等静压烧结等)可以制备出不同Mo含量的Zr-Mo复合材料。另一方面,ZrC陶瓷作为增强相引入其他材料中,可以改良整体材料的性能。
       最后,ZrC的基本性质表可看下表:

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