Please wait a minute...
高级检索
无机材料学报
图/表 详细信息
热防护系统用碳化物超高温陶瓷抗烧蚀涂层研究进展
周帆, 田志林, 李斌
无机材料学报    2025, 40 (1): 1-16.   DOI:10.15541/jim20240317
摘要   （610） HTML （30） PDF（pc） （4418KB）（344）  

碳化物超高温陶瓷具有高熔点(>3000 ℃)、高硬度、低热导率、优异的耐高温性和良好的化学稳定性等优点, 是高超声速飞行器热防护系统的理想涂层材料。本文概述了碳化物超高温陶瓷(TiC、ZrC、HfC、NbC、TaC)的结构与性质, 总结了化学气相沉积法、等离子喷涂法和固相反应法制备碳化物超高温陶瓷涂层的研究进展, 分析了涂层微观结构、组分、结构设计以及热流密度对烧蚀行为的影响。研究表明, 添加第二相形成多元复合涂层和采用多层结构设计, 可以有效提升碳化物超高温陶瓷涂层的抗烧蚀性能。添加第二相形成复杂氧化物, 可使烧蚀后的氧化层适度烧结, 从而获得良好的结构完整性和阻氧性能。采用梯度分层和多层功能结构设计, 有效缓解了涂层热应力, 抑制了裂纹扩展, 并促进了不同层间的协同增强作用。最后, 结合研究现状, 对碳化物超高温陶瓷抗烧蚀涂层发展面临的挑战与机遇进行了展望。


Carbide TiC ZrC HfC NbC TaC
Crystal structure FCC FCC FCC FCC FCC
Space group $\mathrm{Fm} \overline{3} \mathrm{~m}$#225 $\mathrm{Fm} \overline{3} \mathrm{~m}$#225 $\mathrm{Fm} \overline{3} \mathrm{~m}$#225 $\mathrm{Fm} \overline{3} \mathrm{~m}$#225 $\mathrm{Fm} \overline{3} \mathrm{~m}$#225
Lattice parameter/Å 4.334 4.692 4.638 4.470 4.455
Density/(g·cm-3) 4.899 6.634 12.686 7.803 14.498
Melting point/K 3413 3700 4223 3873 4256
Thermal expansion coefficient
(20-1600 ℃)/(×10-6, K-1)		 8.09 7.32 6.88 7.61 6.90
Thermal conductivity* at
25 ℃/(W·m-1·K-1)		 17.9 19.1 20.0 17.4 24.7
Vickers hardness*/GPa 25.20-30.31 16.40-25.00 18.46-25.12 15.10-23.00 13.90-19.90
Young's modulus**/GPa 481.4 406.6 498.0 483.9 491.8
Flexural strength*/MPa 424-545 362-407 343-372 440 338-580
Fracture toughness*/(MPa·m1/2) 3.04-5.01 1.90-2.90 2.50-3.39 2.50-3.41 2.70-4.00
Resistivity*/(μΩ·cm) 83 45 72 50 33
View table in article
表1 碳化物超高温陶瓷的性质[23⇓⇓⇓⇓⇓-29,36⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓ -65]
正文中引用本图/表的段落
表1总结了碳化物UHTCs的基本性质。从表中可以看出, 碳化物UHTCs具有中等的热膨胀系数(6×10-6~9×10-6 K-1)、较低的热导率(14~ 30 W·m-1·K-1)、较高的杨氏模量(>400 GPa)和良好的抗弯强度(>300 MPa)。然而, 由于本征脆性, 它们的断裂韧性较差。目前, 作为切削耐磨材料、抗辐射材料、高温结构材料等, 碳化物UHTCs已在硬质合金、核能和航空航天等领域得到了广泛应用。
表1总结了碳化物UHTCs的基本性质.从表中可以看出, 碳化物UHTCs具有中等的热膨胀系数(6×10-6~9×10-6 K-1)、较低的热导率(14~ 30 W·m-1·K-1)、较高的杨氏模量(>400 GPa)和良好的抗弯强度(>300 MPa).然而, 由于本征脆性, 它们的断裂韧性较差.目前, 作为切削耐磨材料、抗辐射材料、高温结构材料等, 碳化物UHTCs已在硬质合金、核能和航空航天等领域得到了广泛应用. ...

表1总结了碳化物UHTCs的基本性质.从表中可以看出, 碳化物UHTCs具有中等的热膨胀系数(6×10-6~9×10-6 K-1)、较低的热导率(14~ 30 W·m-1·K-1)、较高的杨氏模量(>400 GPa)和良好的抗弯强度(>300 MPa).然而, 由于本征脆性, 它们的断裂韧性较差.目前, 作为切削耐磨材料、抗辐射材料、高温结构材料等, 碳化物UHTCs已在硬质合金、核能和航空航天等领域得到了广泛应用. ...
Relation between the properties of monocarbides of groups IV-V transition metals and their carbon content
1
1972
... MeCx的热学和力学特性均与碳空位的浓度密切相关, 通过调整碳空位的浓度, 可以优化碳化物UHTCs的性质.例如, TiCx、ZrCx、HfCx的晶格常数a会随着碳空位浓度增加而减小, 而当x > 0.9时, 这种变化的相关性减弱[27?-29].Zhou等[30]发现ZrCx的晶格热导率随着碳空位含量的增加而降低, 这是由于碳空位增加使得振动频率减小, 从而降低传热能力.HfCx的热导率随温度升高而增大, HfC0.98的热导率大约是HfC0.67的两倍[31].Yu等[32]通过第一性原理计算研究了碳含量对IVB和VB族碳化物力学性能的影响, 发现随着碳空位浓度增加, 这些碳化物的弹性常数和硬度大致呈下降趋势(图2).然而, 实验测量结果表明, 对于VB族的NbCx和TaCx碳化物, 当x值降低至0.85~0.95时, 硬度出现了异常峰值[33].这是因为在这个成分范围内, 碳化物中会析出Me6C5有序相, 这些有序相在基体中形成畴结构, 阻碍位错运动并产生硬化效应.这种畴强化作用超过了引入碳空位造成的弹性模量下降对硬度的负面影响[32,34].Gusev[35]研究发现TaCx (0.7≤x≤1.0)的弹性刚度常数随着碳空位增加而降低, 弹性的各向异性也随之增加.TaCx的维氏硬度随碳含量增加呈现出先增大后减小的趋势, 硬度最大值出现在x = 0.92附近. ...
New insight into the effect of C concentration on the structural stability, elastic modulus, hardness and thermodynamic properties of NbC carbides
1
2024
... MeCx的热学和力学特性均与碳空位的浓度密切相关, 通过调整碳空位的浓度, 可以优化碳化物UHTCs的性质.例如, TiCx、ZrCx、HfCx的晶格常数a会随着碳空位浓度增加而减小, 而当x > 0.9时, 这种变化的相关性减弱[27?-29].Zhou等[30]发现ZrCx的晶格热导率随着碳空位含量的增加而降低, 这是由于碳空位增加使得振动频率减小, 从而降低传热能力.HfCx的热导率随温度升高而增大, HfC0.98的热导率大约是HfC0.67的两倍[31].Yu等[32]通过第一性原理计算研究了碳含量对IVB和VB族碳化物力学性能的影响, 发现随着碳空位浓度增加, 这些碳化物的弹性常数和硬度大致呈下降趋势(图2).然而, 实验测量结果表明, 对于VB族的NbCx和TaCx碳化物, 当x值降低至0.85~0.95时, 硬度出现了异常峰值[33].这是因为在这个成分范围内, 碳化物中会析出Me6C5有序相, 这些有序相在基体中形成畴结构, 阻碍位错运动并产生硬化效应.这种畴强化作用超过了引入碳空位造成的弹性模量下降对硬度的负面影响[32,34].Gusev[35]研究发现TaCx (0.7≤x≤1.0)的弹性刚度常数随着碳空位增加而降低, 弹性的各向异性也随之增加.TaCx的维氏硬度随碳含量增加呈现出先增大后减小的趋势, 硬度最大值出现在x = 0.92附近. ...
Effect of defectiveness of carbon sublattice on elastic properties and microstrains of disordered cubic tantalum carbide TaCy
1
2022
... MeCx的热学和力学特性均与碳空位的浓度密切相关, 通过调整碳空位的浓度, 可以优化碳化物UHTCs的性质.例如, TiCx、ZrCx、HfCx的晶格常数a会随着碳空位浓度增加而减小, 而当x > 0.9时, 这种变化的相关性减弱[27?-29].Zhou等[30]发现ZrCx的晶格热导率随着碳空位含量的增加而降低, 这是由于碳空位增加使得振动频率减小, 从而降低传热能力.HfCx的热导率随温度升高而增大, HfC0.98的热导率大约是HfC0.67的两倍[31].Yu等[32]通过第一性原理计算研究了碳含量对IVB和VB族碳化物力学性能的影响, 发现随着碳空位浓度增加, 这些碳化物的弹性常数和硬度大致呈下降趋势(图2).然而, 实验测量结果表明, 对于VB族的NbCx和TaCx碳化物, 当x值降低至0.85~0.95时, 硬度出现了异常峰值[33].这是因为在这个成分范围内, 碳化物中会析出Me6C5有序相, 这些有序相在基体中形成畴结构, 阻碍位错运动并产生硬化效应.这种畴强化作用超过了引入碳空位造成的弹性模量下降对硬度的负面影响[32,34].Gusev[35]研究发现TaCx (0.7≤x≤1.0)的弹性刚度常数随着碳空位增加而降低, 弹性的各向异性也随之增加.TaCx的维氏硬度随碳含量增加呈现出先增大后减小的趋势, 硬度最大值出现在x = 0.92附近. ...
Preparation and characterization of tantalum carbide (TaC) ceramics
2
2015
... 碳化物超高温陶瓷的性质[23?????-29,36???????????????????????????? -65] ...

碳化物UHTCs涂层具有优异的高温力学性能和化学稳定性, 是高超声速飞行器热防护系统的理想材料.近年来, 研究人员采用化学气相沉积、等离子喷涂和固相反应法等工艺在C/C复合材料表面制备了单一组分涂层、多元复合涂层和多层复合涂层等多种防护涂层.涂层的微观结构、组分和层间结构设计显著影响其抗烧蚀性能.目前, 碳化物UHTCs抗烧蚀涂层的研究还面临诸多挑战和机遇. ...

/

本文的其它图/表