超高温陶瓷制备与微结构调控研究进展

最近，中国科学院上海硅酸盐研究所张国军研究员带领的课题组在超高温陶瓷的制备与微结构调控方面取得了重要进展，他们与日本物质材料研究机构（National Institute for Materials Science）的Yoshio Sakka研究员合作，首次提出并采用强磁场下的注浆成型实现了超高温陶瓷（ZrB2，HfB2）的织构化，为进一步提高超高温陶瓷的性能提供了新的途径。该项研究工作发表在国际著名杂志Scripta Mater上，审稿人对该工作给予了高度评价。关于织构化ZrB2-SiC 的学术论文（Scripta Mater.，60 （8）, 615-618 (2009)）在投稿5天后即被接收，并获得编辑——加州大学戴维斯分校Subhash Risbud 教授的高度评价：“采用强磁场下的注浆成型制备ZrB2 基陶瓷是一个有趣的新方向，创新性的结合强磁场下的成型与放电等离子烧结是这篇文章的亮点。具有更高硬度和有趣的抗氧化性能各向异性是值得报道的结果…这篇文章具有足够的创新来推荐发表。”另一篇关于织构化HfB2-SiC 的论文（Scripta Mater.，60 [10] 913-916（2009）），审稿人也给予了极高的评价：“这是一篇有趣的文章，不仅在于研究的材料体系，还在于尝试实现一种特殊的织构化显微结构。”该项工作已申请中国发明专利一项（200810205213.2）。过渡金属硼化物陶瓷（ZrB2, HfB2）被认为是超音速飞行器热保护系统中最有潜力的候选材料之一，但是其目前所表现出来的性能还不能满足实际应用的需要。织构化是优化陶瓷材料性能的一种重要途径。ZrB2 和HfB2 具有六方晶体结构，不同晶面具有不同的原子密度和化学键特征，据此，研究人员预测，这些在晶体结构层次的特征将导致硼化物晶体的各向异性，而织构化则可能实现其在某一方向性能的最优化。为此，研究人员开展了织构化超高温陶瓷的研究。在获得颗粒单分散浆料的基础上，首先通过在强磁场下（12T）注浆成型，然后采用SPS 烧结手段获得了硼化物颗粒沿c 轴方向高度取向排列（Lotgering取向因子f>0.9）的ZrB2-SiC 和HfB2-SiC陶瓷。对于ZrB2-SiC和HfB2-SiC织构化陶瓷，与c轴垂直的（00l）面表现出更高的硬度，在高温氧化条件下更容易形成具有保护性的SiO2膜，致使内部ZrB2，HfB2 的氧化被抑制。硼化物超高温陶瓷织构化后在（00l）面所表现出的明显的抗氧化性能优势，将有利于材料潜在性能的最大发挥。这一研究结果在超高温陶瓷领域是首次报道，并为超高温陶瓷的微结构调控和氧化抑制途径提出了新的思路。本工作得到国家自然科学基金重点项目“超高温陶瓷相图、材料制备与微结构控制的研究(No. 50632070)“的资助。（来源：中科院上海硅酸盐研究所）