總結，分析超高溫材料的優缺點，提出存在的主要問題，探討今后的主要研究目標和重點發展方向。
關健詞：難熔金屬；C/C復合材料；碳化物陶瓷；硼化物陶瓷
1引言
隨著航空航天技術的迅猛發展和實現空天一體化的迫切需要，航天飛行器成為近年來許多國家航空航天部門重點發展的對象。在長時高超聲速巡航、跨大氣層飛行和大氣層再入等極端環境下，航天飛行器機翼前緣和鼻錐等關鍵部位與大氣發生劇烈摩擦，產生極高的溫度，例如在Falcon計劃中機翼前緣的駐點區域溫度超過2000 ℃。火箭噴嘴口、吸氣增強推進系統和發動機進氣道在飛行過程中承受高熱載荷和機械載荷，也將直接影響到飛行器熱防護系統的安全[1]。目前，在惡劣的氧化對流環境中，極少材料能夠保持結構和尺寸的完整性。因此，設計和制備出具有良好的抗氧化、抗燒蝕、抗熱震性并保持足夠高溫強度的熱防護材料，成為新型航天飛行器亟需解決的關鍵技術問題。因具有高熔點、高比強度、高熱導、高電導、耐腐蝕以及較好的化學穩定性，超高溫材料成為應用于極端環境下飛行器熱防護系統的首選材料。目前，常用的超高溫材料有難熔金屬及其合金、C/C復合材料、超高溫陶瓷材料等。本文主要介紹近年來超高溫材料的研究進展及應用，同時對超高溫材料未來的主要研究目標和重點發展方向進行了展望。
2難熔金屬及其合金
在難熔金屬、C/C復合材料以及超高溫陶瓷材料中，難熔金屬是最早進行研究并得到應用的超高溫材料。在難熔金屬中，研究和應用最多的是鎢（W）、錸（Re）、鈮（Nb）、鉬（Mo）等金屬。按照熔點由高到低進行排列，可以滿足超高溫環境使用溫度的難熔金屬大致包括以下10種，如表1所示[1-2]。
與其他難熔金屬相比，鎢（W）的熔點最高，具有較好的抗氧化性、抗熱震性及較高的抗燒蝕和抗沖刷能力，被應用于發動機喉襯等關鍵部件。但是鎢（W）的密度（19.3 g/cm3）相對較大，比強度較低，且在低溫時呈現脆性，會使強度大大降低，限制了其在飛行器其他部件的廣泛應用。很多研究表明[3]，為減輕純鎢（W）結構材料的重量，提高鎢（W）的力學性能，可以在鎢（W）制件中滲銅（Cu），通過銅（Cu）揮發帶走熱量，降低鎢（W）的表面溫度。在此基礎上，再添加氧化釷（ThO2）、碳化鉿（HfC）、碳化鋯（ZrC），顯著提高了鎢合金的強度和抗熱震性。此外，還可以通過加入錸（Re）提高鎢的塑性與強度，從而使脆性轉變溫度降低，再結晶溫度升高，增加抗熱疲勞性能與抗熱震能力[4]。
在難熔金屬中，錸（Re）由于其優異的綜合性能備受青睞，在高溫、耐磨、耐蝕等應用環境中，是極具競爭力的候選材料。錸（Re）具有高熔點（熔點為3180 ℃，僅次于鎢），且有較高的高溫強度、耐磨損和良好的抗熱震性能。錸（Re）在室溫下延展率達到5 %，抗拉強度達到1170 MPa，溫度升至2700℃時抗拉強度下降至50 MPa[1]。但是，錸（Re）的成本較高、資源較為匱乏、抗氧化性能較差，難以大面積使用。可以通過銥（Ir）涂層來提高錸（Re）的抗氧化性[5]。使用銥（Ir）涂層作為保護層的主要原因是：銥（Ir）的熔點較高，在2100 ℃的高溫環境下具有低氧滲透率、較低的蒸氣壓，在2200 ℃時仍有較好的抗氧化性能，氧化速率比錸（Re）低3個數量級，且銥（Ir）和錸（Re）的熱膨脹系數非常接近，可使其作為氧化阻擋層。Ir-Re材料已經在火箭發動機方面進行相關測試，已取得了能在2204℃高溫下正常工作的實際例證[6]。美國的Ultra-met公司采用化學氣相沉積法制備出近零燒蝕的Re/Ir/C-C超高溫復合材料，用于發動機推進室，用銥（Ir）作推進室的內壁。由于錸（Re）的密度（22.5 g/cm3）較高，所以在外壁添加C/C復合材料，銥（Ir）和C/C復合材料用0.025 ～ 0.050 mm的錸（Re）層連接，性能相當，但是平均密度減少到3.0 g/cm3以下。研究發現，沉積厚度為50 ～ 250 μm的銥薄膜在高溫下的抗氧化性能極高，Ir/Re結構的工作壽命可以在2200℃下延長10 ～ 20 s。研究結果表明[7]，2350 ℃是Ir-Re材料的使用上限，當溫度超過2300 ℃時，材料損失率將成為一個關鍵因素。Ir-Re材料的使用壽命主要受錸（Re）向銥（Ir）涂層擴散的影響，當錸（Re）在銥（Ir）涂層中的擴散濃度超過20 %時會發生氧化。
與鎢（W）和錸（Re）相比，鉬（Mo）的熔點、密度和成本較低，且鉬（Mo）的硅化物（如MoSi2）具有較好的抗氧化性能，使用溫度可以達到1700 ℃。目前，金屬間化合物的使用溫度一般僅為900 ～ 1100 ℃，遠沒有達到超高溫的使用范疇，而硅化鉬（MoSi2）的使用溫度已經超過1600 ℃，且具有良好的高溫抗氧化性、低密度（6.24 g/cm3）、良好的導熱性與導電性。鉬（Mo）還可以和硅（Si）、硼（B）形成具有極高高溫強度的三元金屬間化合物。例如，Mo-8.5Si-13.2B在1500℃時的屈服強度仍在1 GPa以上，與其它高溫結構使用的難熔金屬基或陶瓷基材料相比，具有廣泛的應用前景[8]。但是，硅化鉬（MoSi2）是C11b型晶體結構的金屬間化合物，延性低等缺點限制了其應用。為解決硅化鉬（MoSi2）抗蠕變性能與韌性差等缺陷，一般采取碳化硅（SiC）作為增強材料，以復合材料的形式應用于硅化鉬（MoSi2）。
難熔金屬及其合金作為超高溫材料使用，具有獨特的優點，如塑性好、韌性高、耐高溫等。但是，由于存在抗氧化能力較差、資源較少、成本偏高等問題，限制了其作為超高溫材料的發展與更廣泛應用。但是，錸（Re）與其它難熔金屬和陶瓷具有良好的相容性（如ThO2、HfO2、HfC、NbC、TaC與ZrC等），通過錸（Re）與其它難熔金屬、陶瓷組分的合理設計，構成復合材料，可以使錸（Re）的強度、抗蠕變性及抗環境因素能力得到極大的改善和提高，這也是未來研究和發展難熔金屬及其合金的重要方向。
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