近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所納米材料與器件技術(shù)研究部熱控功能材料團隊，在鎢基超高溫陶瓷的制備及抗氧化燒蝕性能研究方面取得新突破。團隊成功制備出具備優(yōu)異機械性能和抗燒蝕能力的碳化鎢（WC）和硼化鎢（WB2）陶瓷，相關(guān)成果已發(fā)表在《Ceramics International》和《Journal of the European Ceramic Society》等國際期刊上。

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https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.12.428

https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2025.117298

超高溫陶瓷（UHTCs）因其極高的熔點、卓越的化學(xué)穩(wěn)定性和機械性能，在航空航天、核能和高溫制造等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。鎢基超高溫陶瓷，如WC和WB2，憑借其出色的力學(xué)和熱物理性能，在極端熱-力耦合環(huán)境下展現(xiàn)出巨大潛力。然而，由于燒結(jié)過程中晶粒易長大、致密化困難，以及抗氧化燒蝕能力較弱，其在高溫防護領(lǐng)域的應(yīng)用受限。

針對這些挑戰(zhàn)，研究團隊采用液相前驅(qū)體法成功合成了高純度WC-xTaC和WB2陶瓷粉體。通過在WC中原位引入TaC晶粒抑制劑，有效阻礙晶粒生長，顯著提升了無粘結(jié)劑WC陶瓷的致密度（97.8%）和硬度（24 GPa）。此外，團隊在WB2中添加SiC作為燒結(jié)助劑，制備出致密度達98.2%、硬度為26.9 GPa的WB2-SiC（WS20）復(fù)合材料。

不同TaC摻雜含量對WC物相及微觀形貌的影響(a)XRD圖譜，(b-f) SEM 圖像，(g) 不同TaC摻雜量的WC陶瓷塊體的光學(xué)圖像，(h) 熱壓燒結(jié)后陶瓷塊體的XRD圖譜

為進一步提升硼化鎢陶瓷的抗氧化燒蝕性能，研究人員提出利用La2O3穩(wěn)定WS20復(fù)合材料。實驗表明，La2O3的加入顯著提高了其斷裂韌性和抗燒蝕能力。在2273 K等離子火焰燒蝕60秒后，WB2-SiC-La2O3（WS20L5）復(fù)合材料的質(zhì)量燒蝕率和線燒蝕率分別為0.463 mg/s和0.311 μm/s，已達到鋯基、鉿基超高溫陶瓷的抗燒蝕水平。微觀分析表明，這一性能提升主要得益于La2O3與SiO2我在高溫下反應(yīng)生成La2Si2O7，該化合物對B2O3起釘扎作用，可有效抑制其揮發(fā)，同時形成高粘度B-Si-O-La保護層，填充材料孔隙并阻隔氧氣侵入。

(a) WB2粉體的制備流程圖；(b-c) WS20 和 WS20L5 的硬度與斷裂韌性；(d) WS20和WS20L5在燒蝕試驗過程中的表面溫度曲線；(e) WS20 和 WS20L5 的質(zhì)量燒蝕率和線消融率；(f) WS20和WS20L5的抗燒蝕性能與其他 UHTCs 的對照

WS20和WS20L5陶瓷的燒蝕機理圖

本研究為鎢基超高溫陶瓷的性能優(yōu)化提供了新思路，并為其在極端環(huán)境下的應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。未來，通過摻雜和復(fù)合技術(shù)，該類材料有望在高溫防護領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，為高端技術(shù)發(fā)展提供有力支持。