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摘要：本文主要就高温材料现状与发展问题进行了深入的分析与研究，分别从高温合金、难熔金属、陶瓷、金属间化合物、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、C/C复合材料和梯度功能材料等先进高温材料的研究与应用现状以及发展趋势进行了阐述。在此提出了自己的观点，可供同行参考。
关键词：先进高温材料； 研究现状； 发展趋势；
中图分类号：A715文献标识码： A
前言
高温材料已经成为先进材料中的优先发展方向, 材料在高温下的应用对航天技术领域具有极其重要的推动作用。以下就此进行了详细的论述。
一、高温合金材料分析
高温合金是指以铁、镍、钴为基, 能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。高温合金具有较高的高温强度, 良好的抗氧化和抗热腐蚀性能, 良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性等。高温合金为单一奥氏体基体组织, 在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用的可靠性, 且其合金化程度很高。就当今高温环境使用的高温合金来看, 镍基高温合金的使用范围远远大于铁基和钴基高温合金。较早的高温合金是在 80%Ni+ 20%Cr 合金基础上发展起来的锻造镍基高温合金 Nimonic80A, 通过添加少量的Ti 和 Al 来提高合金的蠕变断裂强度及抗高温氧化性能。镍基高温合金的发展最初是通过改变合金成分来提高合金的使用温度, 主要有两类: Ni- Cr-Al 系和Ni -Cr-Al-Ti- W-Mo-Ta 系合金。但随着发动机性能的不断提高, 镍基高温合金的使用温度已经接近极限, 用改变其合金成分来提高使用温度已非常困难。为了满足固体火箭发动机的使用要求, 高温合金的发展重点已由普通锻造和铸造高温合金发展为定向凝固高温合金和单晶高温合金, 并向弥散强化高温合金和纤维增强的高温合金发展。单晶高温合金已由第一代合金和第二代合金发展到含有 5% ~ 7% Re 的第三代单晶合金, 其工作温度已达到 1 204℃。
二、难熔金属材料分析
难熔金属( W、Mo、Ta、Nb 和 Zr 等) 及其合金, 由于具有熔点高、耐高温和抗腐蚀强等突出优点, 一直被列入重要航天材料之一, 应用领域涉及到固、液火箭发动机, 重返大气层的航天器,航天核动力系统等方面。钨具有非常高的熔点, 具有很好的抗烧损和抗冲刷能力, 常用作长时间工作的小型发动机的喉衬, 目前研究和使用较多的是钨渗铜材料, 由钨粉烧结成多孔钨骨架, 再经高温熔渗铜, 形成钨渗铜二元假合金。这种双组分金属复合结构部件在灼热的燃气流中工作时, 可使钨骨架结构中所渗透的铜熔融、汽化, 并从钨骨架中逸出。这种金属相变化需要吸收大量的热量而产生冷却效应, 加上铜良好的导热性, 使部件起到冷却降温效果, 以致部件可保持原有的工作特性而满足控制系统的要求。类似钨渗铜的高温材料还有钨渗银、钼渗铜等。
三、陶瓷材料分析
陶瓷具有高温强度高、熔点高、热稳定性好、热膨胀系数较小、抗氧化性好、密度低、硬度大、耐磨、资源丰富、价格低廉等特点。陶瓷的共价键结合结构在高温下具有按强度、刚度、硬度和耐磨性要求而调整结合的能力, 而且密度较低( 约为高温合金的 1/ 3) 。陶瓷的主要缺点是脆性大, 而且成形过程中内部会形成许多能引发破坏的微裂纹, 因而材料的强度分散系数很大,使用可靠性低, 所以改善韧性, 提高抗脆性断裂的能力, 是现在陶瓷研究的重点内容。
四、金属间化合物材料分析
金属间化合物具有作为高温结构材料的特殊优点, 许多金属间化合物的强度在一定的温度范围内随温度升高不是连续下降, 而是升高或保持不变。这种强度随温度升高而提高是一种反常的强度-温度关系,完全不同于传统金属材料的强度随温度升高不断下降的关系。这一发现推动了在金属间化合物形变特性和屈服强度反常温度关系方面新的理论模型和机制的研究。相比而言, 硅化物金属间化合物低温韧性虽然有些不足, 但高温下抗氧化性优异。在硅化物金属间化合物中,MoSi2基高温结构材料以其优异的综合性能而被认为是目前最有前途的材料。解决MoSi2低温韧性不足的主要途径有: 加入高熔点韧性增强剂, 如 Ti、Cr、Nb、Hf、Ta 和 W 等; 添加在热力学上与 MoSi2相容的陶瓷增強相如 SiC、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiB 和TiC; 通过加入 ZrO2, 利用其相变增韧作用来达到增韧效果; 还可同其他高熔点硅化物如Mo5Si3、WSi2和 NbSi2等进行合金化来提高性能。
五、金属基复合材料分析
金属基复合材料(MMC) 除了具有高的比强度和比刚度之外, 还像纯金属一样易成形和易连接, 具有可塑性、抗环境侵蚀, 以及在高温下能保持力学性能。根据基体材料的不同, 金属基复合材料分为铝基、钛基、镁基、铜基和高温合金基复合材料等。目前研制的金属基复合材料有连续纤维增强和非连续纤维增强两大类。
六、陶瓷基复合材料分析
陶瓷基复合材料( CMC) 的热稳定性、高刚度、高温强度和可接受的密度, 使它主要用于工作温度很高而又不冷却的固体火箭发动机和航天器轻重量结构。常用的陶瓷基体是氧化物、氮化物、碳化物; 增强材料可以是颗粒、晶须、纤维等, 但以长纤维效果最好, 如 C、Ai2O3、SiO2、SiC 等纤维。
七、梯度功能材料分析
所谓梯度功能材料, 是以计算机辅助设计为基础, 采用先进的复合材料, 使构成材料的要素( 组成、显微结构等) 沿厚度方向有一侧向另一侧连续的变化, 因而材料特性及功能也呈梯度变化的一种新型复合材料。梯度功能材料已经成为当前高温材料研究领域中的重要课题之一,在有些梯度功能材料中, 除了金属材料和陶瓷材料以外, 还有一个中间层, 主要为高强度的纤维( 如氧化锆、碳化硅纤维等) 和微粒( 如陶瓷或金属间化合物粉末, 碳粒或玻璃微粒等) 。目前研究用于高温材料的梯度功能材料体系主要有: SiC-C、TiB2- Cu、T iB2- Ni、W- Cu 和 Cu- B4C 等。
八、先进高温材料的发展趋势分析研究
1、将纳米技术引入先进高温材料的研究中, 先进高温材料经过纳米材料复合后, 强度韧性将会得到显著改进, 其高温力学性能尤其明显, 可望成为解决1 600℃以上先进高温材料的重要途径。
2、寻找更好的制备工艺, 减少制备周期及制备成本, 进一步提高材料的各项性能。
3、建立和完善先进高温材料各项性能指标的测试、表征技术和评价标准, 建立有关先进高温材料的数据库。
4、探索一些具有特殊性能的可应用于高温环境的新材料种类, 同时应研制容易制造和高温氧化环境中能重复使用的材料。
5、对于某些高温结构材料二次加工比较困难的问题, 同时为了降低陶瓷零件的制造成本, 需研究新的更经济的特种加工技术和近净成形加工工艺。
6、 研究整体结构的先进高温材料用来取代过去采用的一些复合结构, 达到减重的目的。
7、 将智能结构引入先进高温材料中, 研究和开发高温智能材料。
8、先进高温材料的应用研究也要大大加强, 同时应注意根据不同使用温度和环境合理选择不同的先进高温材料。
参考文献
[ 1] 卢嘉德. 固体火箭发动机复合材料技术的进展及其应用前景[ J].固体火箭技术, 2001
[2] 邹武, 张康武, 张立同.陶瓷基复合材料在火箭发动机上的应用[ J].固体火箭技术, 2000
关键词：先进高温材料； 研究现状； 发展趋势；
中图分类号：A715文献标识码： A
前言
高温材料已经成为先进材料中的优先发展方向, 材料在高温下的应用对航天技术领域具有极其重要的推动作用。以下就此进行了详细的论述。
一、高温合金材料分析
高温合金是指以铁、镍、钴为基, 能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。高温合金具有较高的高温强度, 良好的抗氧化和抗热腐蚀性能, 良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性等。高温合金为单一奥氏体基体组织, 在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用的可靠性, 且其合金化程度很高。就当今高温环境使用的高温合金来看, 镍基高温合金的使用范围远远大于铁基和钴基高温合金。较早的高温合金是在 80%Ni+ 20%Cr 合金基础上发展起来的锻造镍基高温合金 Nimonic80A, 通过添加少量的Ti 和 Al 来提高合金的蠕变断裂强度及抗高温氧化性能。镍基高温合金的发展最初是通过改变合金成分来提高合金的使用温度, 主要有两类: Ni- Cr-Al 系和Ni -Cr-Al-Ti- W-Mo-Ta 系合金。但随着发动机性能的不断提高, 镍基高温合金的使用温度已经接近极限, 用改变其合金成分来提高使用温度已非常困难。为了满足固体火箭发动机的使用要求, 高温合金的发展重点已由普通锻造和铸造高温合金发展为定向凝固高温合金和单晶高温合金, 并向弥散强化高温合金和纤维增强的高温合金发展。单晶高温合金已由第一代合金和第二代合金发展到含有 5% ~ 7% Re 的第三代单晶合金, 其工作温度已达到 1 204℃。
二、难熔金属材料分析
难熔金属( W、Mo、Ta、Nb 和 Zr 等) 及其合金, 由于具有熔点高、耐高温和抗腐蚀强等突出优点, 一直被列入重要航天材料之一, 应用领域涉及到固、液火箭发动机, 重返大气层的航天器,航天核动力系统等方面。钨具有非常高的熔点, 具有很好的抗烧损和抗冲刷能力, 常用作长时间工作的小型发动机的喉衬, 目前研究和使用较多的是钨渗铜材料, 由钨粉烧结成多孔钨骨架, 再经高温熔渗铜, 形成钨渗铜二元假合金。这种双组分金属复合结构部件在灼热的燃气流中工作时, 可使钨骨架结构中所渗透的铜熔融、汽化, 并从钨骨架中逸出。这种金属相变化需要吸收大量的热量而产生冷却效应, 加上铜良好的导热性, 使部件起到冷却降温效果, 以致部件可保持原有的工作特性而满足控制系统的要求。类似钨渗铜的高温材料还有钨渗银、钼渗铜等。
三、陶瓷材料分析
陶瓷具有高温强度高、熔点高、热稳定性好、热膨胀系数较小、抗氧化性好、密度低、硬度大、耐磨、资源丰富、价格低廉等特点。陶瓷的共价键结合结构在高温下具有按强度、刚度、硬度和耐磨性要求而调整结合的能力, 而且密度较低( 约为高温合金的 1/ 3) 。陶瓷的主要缺点是脆性大, 而且成形过程中内部会形成许多能引发破坏的微裂纹, 因而材料的强度分散系数很大,使用可靠性低, 所以改善韧性, 提高抗脆性断裂的能力, 是现在陶瓷研究的重点内容。
四、金属间化合物材料分析
金属间化合物具有作为高温结构材料的特殊优点, 许多金属间化合物的强度在一定的温度范围内随温度升高不是连续下降, 而是升高或保持不变。这种强度随温度升高而提高是一种反常的强度-温度关系,完全不同于传统金属材料的强度随温度升高不断下降的关系。这一发现推动了在金属间化合物形变特性和屈服强度反常温度关系方面新的理论模型和机制的研究。相比而言, 硅化物金属间化合物低温韧性虽然有些不足, 但高温下抗氧化性优异。在硅化物金属间化合物中,MoSi2基高温结构材料以其优异的综合性能而被认为是目前最有前途的材料。解决MoSi2低温韧性不足的主要途径有: 加入高熔点韧性增强剂, 如 Ti、Cr、Nb、Hf、Ta 和 W 等; 添加在热力学上与 MoSi2相容的陶瓷增強相如 SiC、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiB 和TiC; 通过加入 ZrO2, 利用其相变增韧作用来达到增韧效果; 还可同其他高熔点硅化物如Mo5Si3、WSi2和 NbSi2等进行合金化来提高性能。
五、金属基复合材料分析
金属基复合材料(MMC) 除了具有高的比强度和比刚度之外, 还像纯金属一样易成形和易连接, 具有可塑性、抗环境侵蚀, 以及在高温下能保持力学性能。根据基体材料的不同, 金属基复合材料分为铝基、钛基、镁基、铜基和高温合金基复合材料等。目前研制的金属基复合材料有连续纤维增强和非连续纤维增强两大类。
六、陶瓷基复合材料分析
陶瓷基复合材料( CMC) 的热稳定性、高刚度、高温强度和可接受的密度, 使它主要用于工作温度很高而又不冷却的固体火箭发动机和航天器轻重量结构。常用的陶瓷基体是氧化物、氮化物、碳化物; 增强材料可以是颗粒、晶须、纤维等, 但以长纤维效果最好, 如 C、Ai2O3、SiO2、SiC 等纤维。
七、梯度功能材料分析
所谓梯度功能材料, 是以计算机辅助设计为基础, 采用先进的复合材料, 使构成材料的要素( 组成、显微结构等) 沿厚度方向有一侧向另一侧连续的变化, 因而材料特性及功能也呈梯度变化的一种新型复合材料。梯度功能材料已经成为当前高温材料研究领域中的重要课题之一,在有些梯度功能材料中, 除了金属材料和陶瓷材料以外, 还有一个中间层, 主要为高强度的纤维( 如氧化锆、碳化硅纤维等) 和微粒( 如陶瓷或金属间化合物粉末, 碳粒或玻璃微粒等) 。目前研究用于高温材料的梯度功能材料体系主要有: SiC-C、TiB2- Cu、T iB2- Ni、W- Cu 和 Cu- B4C 等。
八、先进高温材料的发展趋势分析研究
1、将纳米技术引入先进高温材料的研究中, 先进高温材料经过纳米材料复合后, 强度韧性将会得到显著改进, 其高温力学性能尤其明显, 可望成为解决1 600℃以上先进高温材料的重要途径。
2、寻找更好的制备工艺, 减少制备周期及制备成本, 进一步提高材料的各项性能。
3、建立和完善先进高温材料各项性能指标的测试、表征技术和评价标准, 建立有关先进高温材料的数据库。
4、探索一些具有特殊性能的可应用于高温环境的新材料种类, 同时应研制容易制造和高温氧化环境中能重复使用的材料。
5、对于某些高温结构材料二次加工比较困难的问题, 同时为了降低陶瓷零件的制造成本, 需研究新的更经济的特种加工技术和近净成形加工工艺。
6、 研究整体结构的先进高温材料用来取代过去采用的一些复合结构, 达到减重的目的。
7、 将智能结构引入先进高温材料中, 研究和开发高温智能材料。
8、先进高温材料的应用研究也要大大加强, 同时应注意根据不同使用温度和环境合理选择不同的先进高温材料。
参考文献
[ 1] 卢嘉德. 固体火箭发动机复合材料技术的进展及其应用前景[ J].固体火箭技术, 2001
[2] 邹武, 张康武, 张立同.陶瓷基复合材料在火箭发动机上的应用[ J].固体火箭技术, 2000