中科院合肥物质院在钨基超高温陶瓷研究中取得重要进展

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中科院合肥物质院在钨基超高温陶瓷研究中取得重要进展

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中国科学院

https://www.hf.cas.cn/kxyj/kyjz/202503/t20250317_7559874.html

超高温陶瓷（UHTCs）因其极高的熔点、优异的化学稳定性和机械性能，在航空航天、核能、机械加工等领域具有广泛的应用前景。近期，中国科学院合肥物质科学研究院（以下简称“合肥物质院”）在钨基超高温陶瓷领域取得重要突破，成功制备出具有优异机械性能和抗烧蚀性能的碳化钨（WC）和硼化钨（WB2）陶瓷。

近期，合肥物质院固体物理研究所（以下简称“固体所”）纳米材料与器件技术研究部热控功能材料科研团队，在钨基超高温陶瓷领域取得新进展，成功制备了具有优异机械性能和抗烧蚀性能的碳化钨、硼化钨陶瓷。相关成果发表在国际期刊Ceramics International和Journal of the European Ceramic Society上。

超高温陶瓷（UHTCs）因其极高的熔点、优异的化学稳定性和机械性能，在航空航天、核能、机械加工等领域具有广泛的应用前景。钨基超高温陶瓷，包括碳化钨（WC）和硼化钨（WB2）等，具有卓越的力学性能和热物理性能，在极端热-力耦合环境中发挥了重要的作用。但由于飞行器在大气层再入过程中，不仅面临极端高温环境，还会暴露在强电离辐射下，导致电子设备面临损坏的风险。钨基超高温陶瓷凭借其优异的高温强度和抗辐照性能，被认为可能是用作极端环境下高温热防护部件的理想材料。然而，相比于其他超高温陶瓷，钨基陶瓷的致密化较为困难，烧结过程中晶粒易于长大，并且其在抗氧化烧蚀方面的短板也限制了其在隔防热领域的应用。

为此，固体所研究人员基于研究团队前期发展的液相前驱体法合成了高纯度的WC-xTaC和WB2陶瓷粉体。通过在WC中原位引入TaC晶粒抑制剂沉积在WC晶界处，阻碍晶粒的迁移和生长，有效的抑制了WC晶粒的长大，显著提高了无粘结剂WC陶瓷的致密度和硬度（致密度为97.8%，硬度为24 GPa）。此外，通过在WB2中引入SiC作为烧结助剂，制备了致密度为98.2%的WB2-SiC（WS20）复合材料，硬度为26.9 GPa。

为了进一步提升硼化钨基陶瓷的抗氧化烧蚀性能，研究人员提出采用La2O3稳定WS20复材。La2O3的加入显著提高了WS20复合材料的断裂韧性和抗烧蚀性能。在2273 K等离子火焰烧蚀60 s的条件下，WB2-SiC-La2O3（WS20L5）复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.463 mg/s和0.311 μm/s，与多数已报道的锆、铪基等超高温陶瓷的抗烧蚀性能相当。微结构分析表明，这种性能的提升主要归因于La2O3与SiO2在高温下反应生成的La2Si2O7对B2O3具有钉扎作用，能够有效抑制B2O3的挥发；且高温下La2O3固溶在B2O3和SiO2玻璃相中形成的高粘度B-Si-O-La保护层在填充了孔隙的同时还能够阻隔氧气的侵入。

这些研究不仅为钨基超高温陶瓷的性能优化提供了新的思路和方法，也为其实现更广泛的实际应用奠定了基础。通过掺杂和复合技术，钨基超高温陶瓷有望在极端环境下展现出更加优异的性能，为未来高端技术的发展提供有力支持。

以上工作得到了国家自然科学基金、安徽省科技重大专项、合肥物质院院长基金等项目的支持。

论文链接：

图1.不同TaC掺杂含量对WC物相及微观形貌的影响(a)XRD图谱，(b-f)SEM图像，(g)不同TaC掺杂量的WC陶瓷块体的光学图像，(h)热压烧结后陶瓷块体的XRD图谱。