所谓的超高温材料，指的是在应力、氧化等严苛的环境，以及约在2000℃超高温状态下仍能照常使用的最耐热的高级材料，它们被广泛应用在航空航天等高科技领域，如高超音速环境下机翼前缘、飞行器鼻锥，航天器的燃烧室前部等。

超高温材料中，难熔金属及其合金和碳碳复合材料等因其抗氧化性能较差限制颇多，因为目前国内外的超高温材料发展重心转移至超高温陶瓷，主要可分为碳化物陶瓷、硼化物陶瓷和氮化物陶瓷三类。

其中碳化物的熔点可达3000℃以上，且碳化物的熔点不存在高温转变现象，这使得它在超高温陶瓷领域占领一席之地，主要有碳化铪(HfC)、碳化钽(TaC)和碳化锆(ZrC)等——其中，HfC和TaC成本较高，制备技术和生产设备的要求很高，因此二者大规模使用受到限制。而ZrC因性价比较高而备受青睐，成为了高温材料届的“扛把子”级别存在。

不同类型的耐火材料熔点对比

一、碳化锆的性能优势

下图是ZrC的晶体结构（面心立方晶体结构），Zr原子组成立方晶格，C原子位于晶格的八面体间隙位置。在碳-锆化学反应系统中存在很宽范围的非化学计量现象，即ZrCx（0.5≤x≤1）。因此碳化锆（ZrC）是一种非化学计量间隙化合物，ZrC陶瓷材料中普遍存在着碳空位。

ZrC 的晶体结构

ZrC的一系列优良特性都归因于其特殊结构，所以具有高硬度（显微硬度为26Gpa），高熔点（3400℃），优异的高温机械性能，良好的耐磨性和腐蚀性，抗裂变产物攻击和低中子截面等优异的物化性能。因此，ZrC陶瓷材料可以应用在众多领域中，例如：刀具，耐磨材料等。

此外，ZrC还具有超高的硬度，可作为研磨材料，用于各种各样硬金属、玻璃或者刚玉的加工；ZrC因强度和硬度较高，热中子吸收截面小、耐辐射性能好等优良性能被作为包覆核燃料颗粒阻挡层最具潜力的新材料。

核燃料元件

ZrC陶瓷可作为基体，通过引入其他相来改善其抗氧化性能和力学性能，比如在ZrC中添加金属Mo，采用不同的烧结方法（无压烧结、热等静压烧结等）可以制备出不同Mo含量的Zr-Mo复合材料。另一方面，ZrC陶瓷作为增强相引入其他材料中，可以改良整体材料的性能。

最后，ZrC的基本性质表可看下表：

二、碳化锆的制备要点

粉体合成方面，目前国内外制备超高温ZrC粉体的主要方法有：直接合成、自蔓延高温合成、激光气相反应、碳热还原法等。直接合成法合成的ZrC粉末粒度粗大，活性低，需要超高温度，能耗高，难以实现工业化生产；自蔓延高温合成反应过程不易控制，影响产物的性能；激光气相反应设备原料昂贵，生产成本高；碳热还原反应所用原料较廉价，生产工艺简单，适合工业生产，但是由于原料混合的均匀度不够理想和反应的不完全而使合成的粉体纯度不高。而采用溶胶凝胶法，不仅能够获得均匀的ZrC前驱体，而且经过高温裂解还可得到粒径小、纯度高的ZrC纳米粉体，但目前前驱体稳定性不易控制，生产工艺复杂。因此简化生产工艺、提高产品性能成为研究的要点。

ZrC 粉体的SEM图像

陶瓷成型烧结方面，一般有热压烧结、无压烧结、放电等离子烧结等烧结方法。由于大规模生产的需求，目前应用的最广泛的烧结方法主要为热压烧结和无压烧结技术。前者是粉末冶金工艺中最基本的烧结方法，优点为成本较低，可制造尺寸大和形状复杂的样品等，其缺点为材料致密化所需的烧结温度高，其中陶瓷材料的无压烧结甚至需要烧结助剂的辅助；后者是在烧结过程中施加单向压力的烧结工艺。该方法的优点为能获得致密度高、力学性能优良的陶瓷样品，缺点为陶瓷材料致密化烧结温度仍较高、工艺复杂、无法制备尺寸较大和形状复杂的样品等。

目前，ZrC陶瓷烧结方面面临的主要问题是过程中要求相当高的烧结温度（>2000℃）并同时在烧结过程中需要一定压力的辅助，这就造成了能耗高、环境污染严重、自动化程度低等弊端。

目前，为了降低ZrC陶瓷的烧结温度，提高陶瓷制品的致密度，除了烧结工艺外，一般采用细化颗粒和添加烧结助剂的方法。就细化颗粒方面而言，Beatriz等采用高能球磨法球磨3 h后ZrC粉末粒径从3μm降低到几纳米，烧结致密化温度从2100℃降低到1850℃。研究发现长时间高能球磨获得的纳米微晶形成了团聚体，并且制品中的孔隙大小与粉末中的团聚体大小成正比。由此，细化晶粒方面除了破碎晶粒外，还需要注意粉末分散的问题。就烧结助剂方面而言，为了获得致密度高和力学性能优异的陶瓷制品，学者们发现B元素可以降低去除粉末的表面氧化层，促进自扩散，有效地增强粉末的烧结性；Si元素可以在烧结过程中产生液相，填充气孔，从而提高陶瓷制品的致密度。

资料来源：

黎翔. 碳化锆陶瓷的低温烧结及其力学性能研究[D]. 吉林:长春工业大学,2022. 王雪颖.

超高温碳化锆前驱体、纳米粉体的制备及相关机理研究[D]. 景德镇陶瓷大学,2022.

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