江苏激光联盟导读：

来自NUST MISIS的一队科学家开发了一种在目前已知化合物中熔点最高的陶瓷材料。由于物理，机械和热性能的独特结合，该材料有望用于飞机最热负荷的部件，例如机头整流罩，喷气发动机和在2000摄氏度以上的温度下运行的机翼锋利的前边缘。结果发表在Ceramics International上。

许多领先的太空机构（NASA，ESA以及日本，中国和印度的机构）都在积极开发可重复使用的太空飞机，这将显着降低将人员和货物运送到轨道的成本，并缩短两次飞行之间的时间间隔。

目前，在这种装置的开发中已经取得了显著成果。例如，将机翼锋利的前边缘的倒圆半径减小到几厘米会导致升力和机动性显着增加，并减少空气动力阻力 但是，当离开大气层并再次进入大气层时，在航天飞机机翼的表面上，可以观察到约2000摄氏度的温度，最边缘处达到4000摄氏度。NUST MISIS建筑陶瓷材料中心主任Dmitry Moskovskikh表示存在一个在如此高的温度下可以工作的新材料的创造和开发问题。

隔热材料  图片来源：美国航天局

研究人员的目标是创造一种具有最高熔点和高机械性能的材料。三重铪选择碳氮系统碳氮化铪(Hf-C-N)，因为布朗大学(美国)的科学家先前预测碳氮化铪将具有高导热性和抗氧化性，以及所有已知化合物中最高的熔点(约4200摄氏度)。

NUST MISIS建筑陶瓷材料中心的团队。图片来源：Sergey Gnuskov / NUST MISIS

过渡金属（IVB和VB组）的碳化物和氮化物具有独特的一组性能，包括高密度，化学耐久性，耐腐蚀性和极高的熔点，这使其特别适合在极端温度下的各种应用中。例如，基于这些相的超高温陶瓷（UHTC）可用作超音速喷射器中的热保护系统，以及用作燃烧室或火箭喷嘴的一部分。

尽管无法直接测量人造陶瓷的熔点，但研究人员将获得的碳氮化铪与商用碳化铪（HfC）进行了比较。实验设置如下图所示。

图1.（a）示意图和（b）用于陶瓷熔点比较研究的装置照片。

利用自蔓延高温合成的方法，NUSTMISIS的科学家们获得了HfC0.5N0.35(碳氮化铪)接近理论成分，具有21.3 GPa的高硬度，甚至高于新的有前途的材料，如ZrB2/SiC (20.9 GPa)和HfB2/SiC/TaSi2(18.1 GPa)。

图2. 合成的铪(碳、氮)颗粒的微观结构:(1)概观；(b，c)横截面

研究人员比较了用HEBM CS方法制造的商用氢氟碳化合物和铪(碳、氮)的熔点经过一个实验后，具有六个样本（上排中的三个HfC样本，下排中的三个Hf（碳、氮）样本）的石墨加热器的宏观图像如下图所示。

图3. 陶瓷熔点对比实验后石墨加热器与样品的宏观图像

热处理后样品的微观结构如下图所示。HfC熔体凝固过程中形成的树枝状结构(图4a)，并且整体Hf(碳、氮）的未改变的微结构证实了上述关于加热期间发生的结构转变的结论。

图4. 加热后陶瓷的微观结构:(a)HfC；铪(碳、氮)

图5. 固化铪陶瓷的典型微观结构

目前，这种新材料的特定熔点高于4000摄氏度，无法在实验室中精确测定。将来，该团队计划进行高温测量熔化温度的实验温度使用激光或电阻的高温测量。他们还计划研究所得碳氮化铪在高超音速条件下的性能，这将与航空航天工业的进一步应用相关。

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本文来源：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884220307793?via%3Dihub