论文《钨/耐超高温陶瓷复合材料的制备和性能研究进展》，由湖南云箭集团有限公司肖鹏供稿。论文全部作者分别为：肖鹏1，杨凯1，刘海波2，余艺平3，王松3；作者单位分别为：1.湖南云箭集团有限公司；2.湖南科技大学机电工程学院机械设备健康维护省重点实验室；3.国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料国家重点实验室。

作者简介：肖鹏，男，湖南祁阳人，博士，工程师，主要从事耐超高温结构材料开发工作。

引文格式

[1]肖鹏,杨凯,刘海波,等.钨/耐超高温陶瓷复合材料的制备和性能研究进展[J].中国钨业,2023,38(2):34-44.

XIAO Peng,YANG Kai,LIU Haibo,et al.Progress in the preparation and properties of tungsten/ultra-high temperature resistant ceramic composites[J].China Tungsten Industry,2023,38(2):34-44.

摘要

高超声速飞行器的战力升级对集承载、防热、抗烧蚀功能于一身的新型极端耐热结构材料提出了更高的要求。钨/耐超高温陶瓷复合材料（W/UHTCs）是钨与耐超高温陶瓷复合制得的一种非均质复合材料，理论上可同时具有高强高韧、抗热震、抗烧蚀等优异特性，可在高温有氧、强冲刷环境下长期服役。多年以来，国内外研究者围绕W/UHTCs的制备、表征和应用开展了大量研究工作，一些新的制备工艺和应用形式不断出现。文章系统介绍了W/UHTCs制备工艺的特点，分析讨论了W/UHTCs的性能和强化机制，概述了W/UHTCs的应用现状，最后展望了W/UHTCs的潜在发展方向。

引言

钨（W）为第五周期VIA族元素，单质呈体心立方（bcc）晶型结构，在难熔金属中具有最高的熔点和强度，且线膨胀系数小、溅射阀值高，是航空、航天和电子等行业中的一种重要原材料[1]。但高温环境下，钨的强度会显著降级且易与氧反应，一定程度限制了钨在国防科技工业中的应用。如何改善钨在高温有氧环境中的服役性能，是难熔金属领域的研究热点之一[2-5]。

钨/耐超高温陶瓷复合材料（W/UHTCs）是钨与耐超高温陶瓷（Ultra-high Temperature Ceramics，UHTCs）复合制得的一种非均质复合材料（两相的体积分数为15%～85%），理论上既保持陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性好等特性，又兼具金属相较好的韧性和可塑性，受到了国内外众多研究者的关注[6-9]。

W/UHTCs的研究始于20世纪60年代末，俄罗斯通过流延铸造工艺首次制备了ZrC体积分数为70%的W/ZrC，并于70年代验证了W/ZrC在1 700℃下长期工作的可行性。此后，有关W/UHTCs制备工艺、组成结构以及性能表征的研究报道层出不穷[10-13]。美国DICKERSON M B等人[14]提出了置换填充孔隙法（Displacive Compensation of Porosity，DCP），解决了W/ZrC成型困难的问题，实现了W/ZrC复杂构件的近净成型。哈尔滨工业大学的周玉教授团队[15]系统研究了W/ZrC的高温强化机制和抗热震、抗烧蚀行为，阐明了其制备工艺、组成、结构和性能相互间的关系，为W/ZrC的工程应用奠定了基础。随着极端热力氧耦合环境下服役装备对于热结构材料的性能要求逐步提高，W/UHTCs也逐渐向W/TaC[16-17]、W/HfC[7,18-20]W/ZrB2[21-23]等体系拓展，极大地丰富了对W/UHTCs研究的理论知识。

W/UHTCs作为一种结合了钨和耐超高温陶瓷性能优点的新型耐高温材料，在航天、能源等领域具有较广阔的应用前景。为推动其快速发展，本文对W/UHTCs在制备工艺、结构性能和应用现状等方面的最新进展进行了总结，以期为研究者提供参考。

图文速览

(a)20%ZrC；(b)30%ZrC；(c)40%ZrC；(d)50%ZrC

图1不同组成W/ZrC的微观结构

Fig.1 Microstructure of W/ZrC with different ZrC content

图2不同温度制备W/HfC的XRD图

Fig.2 XRD patterns of W/HfC fabricated at different temperatures

图3 DCP工艺的原理示意图

Fig.3 Schematic diagram of DCP process

(a)喷嘴状；(b)圆盘状；(c)坩埚状；(d)锥形状

图4置换填充孔隙法制备W/ZrC构件

Fig.4 W/ZrC components prepared by replacement filling pore method

(a)TEM；(b)HRTEM；(c)HAADF-STEM；(d)EDS

图5 W/HfC中两相界面的表征结果

Fig.5 Characterization results of two-phase interface in W/HfC

图6 W和ZrC相的界面结合示意图

Fig.6 Schematic diagram of interface bonding between w and ZrC phases

图7不同组成W/ZrC的氧乙炔烧蚀结果

Fig.7 Ablation properties of W/ZrC with different composition

图8 W/UHTCs的潜在应用领域

Fig.8 Possible application of W/UHTCs in some special industrial fields

结语

W/UHTCs在性能上结合了W和UHTCs的优点，可实现强度和韧性兼得，是一种性能较突出的耐高温结构材料。目前，W/UHTCs虽已形成多种制备工艺，并初步揭露了组成-工艺-结构-性能的构效关系，但仍存在高性能材料设计方法不足、加工成型较为困难、DCP法熔渗机理不清晰、大规模工程应用未突破等问题。后期为推动W/UHTCs复合材料快速发展，建议从以下几方面重点开展研究。

（1）开展W/UHTCs的复合粉体合成研究，从原料源头提高金属相和陶瓷相的分散均匀性，改善W/UHTCs的烧结性能。

（2）开展W/UHTCs的DCP法熔渗机理和熔渗模型研究，探索W/TaC、W/HfC的DCP工艺，助力W/UHTCs的工程应用。

（3）参考金属材料的纳米孪晶、纳米梯度结构等制备工艺对W/UHTCs的结构进行有序调控，以期突破组成对综合性能的制约。