中科院合肥物质院在钨基超高温陶瓷研究方面取得重要进展

近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所纳米材料与器件技术研究部热控功能材料团队，在钨基超高温陶瓷的制备及抗氧化烧蚀性能研究方面取得新突破。团队成功制备出具备优异机械性能和抗烧蚀能力的碳化钨（WC）和硼化钨（WB2）陶瓷，相关成果已发表在《Ceramics International》和《Journal of the European Ceramic Society》等国际期刊上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.12.428

https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2025.117298

超高温陶瓷（UHTCs）因其极高的熔点、卓越的化学稳定性和机械性能，在航空航天、核能和高温制造等领域具有广泛应用前景。钨基超高温陶瓷，如WC和WB2，凭借其出色的力学和热物理性能，在极端热-力耦合环境下展现出巨大潜力。然而，由于烧结过程中晶粒易长大、致密化困难，以及抗氧化烧蚀能力较弱，其在高温防护领域的应用受限。

针对这些挑战，研究团队采用液相前驱体法成功合成了高纯度WC-xTaC和WB2陶瓷粉体。通过在WC中原位引入TaC晶粒抑制剂，有效阻碍晶粒生长，显著提升了无粘结剂WC陶瓷的致密度（97.8%）和硬度（24 GPa）。此外，团队在WB2中添加SiC作为烧结助剂，制备出致密度达98.2%、硬度为26.9 GPa的WB2-SiC（WS20）复合材料。

不同TaC掺杂含量对WC物相及微观形貌的影响(a)XRD图谱，(b-f) SEM 图像，(g) 不同TaC掺杂量的WC陶瓷块体的光学图像，(h) 热压烧结后陶瓷块体的XRD图谱

为进一步提升硼化钨陶瓷的抗氧化烧蚀性能，研究人员提出利用La2O3稳定WS20复合材料。实验表明，La2O3的加入显著提高了其断裂韧性和抗烧蚀能力。在2273 K等离子火焰烧蚀60秒后，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，已达到锆基、铪基超高温陶瓷的抗烧蚀水平。微观分析表明，这一性能提升主要得益于La2O3与SiO2我在高温下反应生成La2Si2O7，该化合物对B2O3起钉扎作用，可有效抑制其挥发，同时形成高粘度B-Si-O-La保护层，填充材料孔隙并阻隔氧气侵入。

(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

WS20和WS20L5陶瓷的烧蚀机理图

本研究为钨基超高温陶瓷的性能优化提供了新思路，并为其在极端环境下的应用奠定了坚实基础。未来，通过掺杂和复合技术，该类材料有望在高温防护领域发挥更大作用，为高端技术发展提供有力支持。