超高溫陶瓷：碳化物陶瓷、硼化物陶瓷和氮化物陶瓷

一般來說，陶瓷，尤其是先進陶瓷，本身就具備比其他材料更優秀的高溫性能。但是在它們之中，有一群“高個子”在耐高溫上尤其鶴立雞群，我們一般稱呼它們為“超高溫陶瓷( UHTCs)”。須知，一般陶瓷正常的“煉化”溫度在1400℃以上，就算是高溫陶瓷一般工作溫度也在1600℃以下，而“超高溫陶瓷”的卻能抵抗高達2200℃的高溫，簡直就是“陶”中忍者。 

超高溫陶瓷一般分為以下幾大類：有碳化物陶瓷、硼化物陶瓷和氮化物陶瓷。 

碳化物陶瓷

碳化物陶瓷中，能夠在超高溫下環境下應用的有ZrC、HfC、TaC和TiC等。這類陶瓷有著非常高的熔點，在升溫或降溫過程中不發生固態相變，還有著較好的抗熱震性和較高的高溫強度，但碳化物UHTCs的斷裂韌性較低，抗氧化性能差。

 ①在碳化物UHTCs之中，ZrC價格便宜并且具有高熔點、高硬度、優良的導電性、導熱性等性能，是非常有前景的材料。 

②HfC陶瓷有著較高的熔點和硬度、相對低的線脹系數，較好地滿足了極端條件下的使用要求，缺點主要是抗氧化性能較差。 

③TaC有著高熔點、低密度、高硬度和良好的高溫性能，但TaC本身韌性差、抗氧化性能差，其實際應用在很大程度上受到了限制。 

硼化物陶瓷

超高溫硼化物陶瓷主要有HfB2、ZrB2、TaB2和TiB2，最近也有研究人員對YB4陶瓷進行了研究。這些陶瓷材料都由較強的共價鍵構成，具有高熔點、高硬度、高強度、低蒸發率、高熱導率和電導率等特點。 

①其中ZrB2和HfB2是目前研究最為廣泛的UHTCs，抗氧化性較差是限制其廣泛應用的主要障礙。通過添加SiC可以改善這一問題，制成的復合材料ZrB2-SiC具有較高的二元共晶溫度、良好的熱導率、良好的抗氧化性能以及較高的強度。 

②TiB2具有良好的機械性能、耐磨、耐高溫、較低的密度和熱膨脹系數、化學穩定性好，在過去幾十年里，科研人員主要致力于TiB2的致密化、提高斷裂性和高溫性能的研究。 

③YB4的熔點高達2800℃，氧化產物為Y2O3，其熔點也高達2145℃。此外YB4還具有較低的密度（4.36 g/cm3）和較低的彈性模量（350 GPa）。 

氮化物陶瓷

氮化物超高溫陶瓷如ZrN、HfN和TaN也有著良好的性能。過渡金屬氮化物都有著較高的熔點，并且此類難熔氮化物的熔點還與環境氣壓有關。例如，HfN在0.1 MPa下的熔點是3 390℃，而在8.0 MPa時熔點為3810℃。在ZrN和TiN中也存在類似現象。因此這些難熔金屬氮化物可以做成相關部件以滿足使用要求。 然而，并不是所有難熔氮化物都適合在高溫高壓的氧化環境下工作。例如Ti、Nb、Ta及其化合物在氧化時形成的氧化物的熔點都相對較低(Ta2O5熔點較高為1 887℃)，在高溫高壓和沖擊載荷等多種因素的作用下，材料表面的氧化物極易熔化并從材料表面除去，燒蝕率大大提高。 

超高溫陶瓷的應用

如此優秀的高溫性能，航空航天領域必須要有超高溫陶瓷的一席之地。比如說高超聲速飛行器，它在長時間高超聲速巡航、跨大氣層飛行和大氣層再入等極端環境下，飛行器機翼前緣和鼻錐等關鍵部件在飛行過程中會與大氣劇烈摩擦，產生較高的溫度——如 Falcon計劃中機翼前緣的駐點區域溫度可以超過2000℃，如果材料不夠“耐燒”，飛一趟就得報廢了。 雖然除了超高溫陶瓷外，難熔金屬材料、C/C復合材料也都具備優異的高溫性能，但前者難加工、抗氧化能力差，后者C /C 在高溫下容易發生氧化，這都限制了它們在超高溫領域，尤其是在可重復使用飛行器上的應用。 

而陶瓷基復合材料，特別是過渡金屬硼化物（TiB2、YB4）和碳化物（ZrC等），由于具有高熔點、高硬度、高熱導率和適中的熱脹系數，具有良好的抗燒蝕性和化學穩定性，被認為是高超音速飛行器和再入式飛行器的鼻錐和前緣等部位最具前途的熱防護材料。 

2007年時，曼徹斯特大學和中南大學的研究人員合作設計了一種陶瓷涂層，可以抵抗高速飛行器因高溫引起的兩個最大的問題——燒蝕和氧化。報道中稱有兩種候選材料被寄予厚望，一是ZrC，通常用于涂覆超音速飛行器的鉆頭和發動機零件；二是其表兄ZrB2，不僅可以在高達1500攝氏度的溫度下抗氧化，而且密度低且成本相對較低。不過后者有一定的風險，當硼原子確實被氧化時，就會使其易于被燒蝕，因此如果涂層的某個部分碰巧發生意外時，就會造成災難性的后果。 

不過，就算不“上天”，超高溫陶瓷材料在切削工具、電子材料、研磨材料等領域也有用武之地，例如具備高硬度的TaC就已在切削領域得到了應用。

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