近期，中國科學院合肥物質院固體所納米材料與器件技術研究部熱控功能材料科研團隊，在鎢基超高溫陶瓷領域取得新進展，成功制備了具有優異機械性能和抗燒蝕性能的碳化鎢、硼化鎢陶瓷。相關成果發表在國際期刊Ceramics International和Journal of the European Ceramic Society上。

超高溫陶瓷（UHTCs）因其極高的熔點、優異的化學穩定性和機械性能，在航空航天、核能、機械加工等領域具有廣泛的應用前景。鎢基超高溫陶瓷，包括碳化鎢（WC）和硼化鎢（WB₂）等，具有卓越的力學性能和熱物理性能，在極端熱-力耦合環境中發揮了重要的作用。但由于飛行器在大氣層再入過程中，不僅面臨極端高溫環境，還會暴露在強電離輻射下，導致電子設備面臨損壞的風險。鎢基超高溫陶瓷憑借其優異的高溫強度和抗輻照性能，被認為可能是用作極端環境下高溫熱防護部件的理想材料。然而，相比于其他超高溫陶瓷，鎢基陶瓷的致密化較為困難，燒結過程中晶粒易于長大，并且其在抗氧化燒蝕方面的短板也限制了其在隔防熱領域的應用。

為此，固體所研究人員基于研究團隊前期發展的液相前驅體法合成了高純度的 WC-xTaC 和WB₂陶瓷粉體。通過在 WC 中原位引入 TaC 晶粒抑制劑沉積在WC晶界處，阻礙晶粒的遷移和生長，有效的抑制了 WC晶粒的長大，顯著提高了無粘結劑WC陶瓷的致密度和硬度（致密度為 97.8%，硬度為 24 GPa）。此外，通過在 WB₂中引入SiC作為燒結助劑，制備了致密度為 98.2% 的 WB₂-SiC（WS20）復合材料，硬度為 26.9 GPa。

為了進一步提升硼化鎢基陶瓷的抗氧化燒蝕性能，研究人員提出采用 La₂O₃穩定 WS20 復材。La₂O₃的加入顯著提高了 WS20 復合材料的斷裂韌性和抗燒蝕性能。在 2273 K 等離子火焰燒蝕 60 s 的條件下，WB₂-SiC-La₂O₃（WS20L5）復合材料的質量燒蝕率和線燒蝕率分別為 0.463 mg/s 和 0.311 μm/s，與多數已報道的鋯、鉿基等超高溫陶瓷的抗燒蝕性能相當。微結構分析表明，這種性能的提升主要歸因于 La₂O₃與 SiO₂在高溫下反應生成的 La₂Si₂O₇對 B₂O₃具有釘扎作用，能夠有效抑制 B₂O₃的揮發；且高溫下 La₂O₃固溶在 B₂O₃和 SiO₂玻璃相中形成的高粘度 B-Si-O-La 保護層在填充了孔隙的同時還能夠阻隔氧氣的侵入。

這些研究不僅為鎢基超高溫陶瓷的性能優化提供了新的思路和方法，也為其實現更廣泛的實際應用奠定了基礎。通過摻雜和復合技術，鎢基超高溫陶瓷有望在極端環境下展現出更加優異的性能，為未來高端技術的發展提供有力支持。

以上工作得到了國家自然科學基金、安徽省科技重大專項、合肥物質院院長基金等項目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.12.428

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

圖1.不同TaC摻雜含量對WC物相及微觀形貌的影響(a)XRD圖譜，(b-f) SEM 圖像，(g) 不同TaC摻雜量的WC陶瓷塊體的光學圖像，(h) 熱壓燒結后陶瓷塊體的XRD圖譜。

圖2. (a) WB₂粉體的制備流程圖；(b-c) WS20 和 WS20L5 的硬度與斷裂韌性；(d) WS20和WS20L5在燒蝕試驗過程中的表面溫度曲線；(e) WS20 和 WS20L5 的質量燒蝕率和線消融率；(f) WS20和WS20L5的抗燒蝕性能與其他 UHTCs 的對照。

圖3. WS20和WS20L5陶瓷的燒蝕機理圖。