近期，中国科学院合肥物质院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（J. Mater. Sci. Technol. 2023, 164, 229; Ceram. Int. 2024, 50, 15134）。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。
图2. (a) WB2 粉体的制备流程图；(b-c) WS20 和 WS20L5 的硬度与断裂韧性；(d) WS20 和 WS20L5 在烧蚀试验过程中的表面温度曲线；(e) WS20 和 WS20L5 的质量烧蚀率和线消融率；(f) WS20 和 WS20L5 的抗烧蚀性能与其他 UHTCs 的对照。
图3. WS20 和 WS20L5 陶瓷的烧蚀机理图。
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。
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