Expanding the members of ultra-high temperature ceramics and their maximum service temperature exceeding 3000 °C
标题：超高温陶瓷材料的扩展及其最高使用温度超过3000℃
主要内容：
这篇综述文章全面回顾了超高温陶瓷（UHTCs）及其复合材料（UHTCMCs）在过去几十年中的发展历程，并展望了未来研究方向，特别强调了如何应对航天器在高马赫数飞行过程中面临的极端环境（气动加热、氧化、烧蚀及高动压）。文章指出，UHTCs的定义是熔点超过3000°C的早期过渡金属碳化物、硼化物或氮化物，且能在含氧气氛中于2000°C以上温度下稳定使用。
关键发现与挑战：
UHTCs的定义与发展历史：
UHTCs被定义为熔点超过3000°C的早期过渡金属碳化物、硼化物或氮化物，且在含氧气氛中2000°C以上稳定。
研究始于19世纪末，20世纪中叶因火箭推进和大气再入需求而显著发展。
早期研究关注晶体结构，后期转向基于电子结构的材料设计。
UHTCs的制备与致密化：
粉末合成：分为固相反应、液相前驱体转化合成和气相反应，各有优缺点（见表1）。液相合成和气相反应可制备高纯度、低氧含量的UHTC粉末。
致密化：UHTCs高熔点、强共价键和低自扩散系数使其致密化困难。已开发出场辅助烧结、无压烧结和闪速烧结等技术。无压烧结通过除氧机制提高烧结活性，B4C和WC是有效助剂。液相辅助快速烧结技术也取得进展。
UHTCs的性能：
机械性能：弯曲强度、弹性模量、断裂韧性等。ZrB2的弹性模量约500GPa，室温弯曲强度受成分、烧结方法和微观结构影响，遵循霍尔-佩奇关系。添加SiC可增强抗弯强度。高温下断裂模式通常为晶间断裂，清洁晶界和多组分成分可提高高温强度和抗蠕变性能。
热物理特性：热导率、体积热容和热膨胀系数是关键。高温下热传导机制会变化，如ZrB2-SiC陶瓷在1800°C以上以电子热传导为主。晶界工程是改善高温性能的有效方法。
抗氧化性：UHTCs初始氧化温度低于800°C，硼化物略高。SiC等次生相可显著增强抗氧化性，通过形成高粘度的B-Si-O玻璃相作为氧阻隔层。但实验室静态氧化结果与实际飞行环境可能存在差异。热力学计算可指导氧化产物相平衡，但高熵碳化物和硼化物仍需验证。氧化层的相稳定性和氧渗透性至关重要，掺杂高价过渡金属阳离子（如Ta⁵⁺）可抑制氧空位形成，增强抗氧化性。
抗烧蚀性：烧蚀是复杂过程，致密、连续且低氧渗透性的氧化层对确保抗烧蚀性能至关重要。当前氧化层主要基于B-Si-O玻璃相，但其熔点限制了UHTCs的使用上限。
超高温陶瓷基复合材料（UHTCMCs）：
增韧方法：UHTCs固有的脆性是主要障碍。连续纤维增韧技术是有效手段，可将断裂韧性提高10倍。UHTCMCs包含UHTCs基体、纤维增强材料和界面。
加工技术：包括压力烧结、浆料浸渍、PIP、RMI和CVI/CVD。张幸红团队提出了“双连续结构”浆料浸渍策略，实现了UHTC粉末和碳纤维预制件的有效复合，降低了烧结温度，显著提高了断裂韧性，并在2500°C强氧化环境中表现出接近零的烧蚀。
抗氧化与抗烧蚀性能：主要取决于陶瓷基体的氧化产物。纤维增强材料和界面氧化可能成为氧扩散路径。多尺度建模和逆向设计可用于优化氧化层结构和UHTC组分。
未来展望：
UHTCs研究将进入“第三波浪潮”，目标是开发服务温度超过3000°C的材料，特别是寻找熔点超过3000°C的新型氧化物。Hf₀.₈₅Ta₀.₁₅O的发现是里程碑。
研究重点包括发现新的UHTC化合物、合成高纯度UHTC粉末、开发聚合物前驱体以及新型加工方法。
人工智能（AI）和机器学习（ML）在多尺度建模和逆向设计中具有巨大潜力，可加速UHTCs的研发。
UHTCs的实际应用需要与高超声速飞行器设计、制造、加工和装配进行整合。
图文总结：
图1：展示了解决UHTCs主要缺陷的研究与开发时间线，以及突破3000°C使用温度极限的未来研究方向。
图2：超高温陶瓷（UHTCs）多尺度设计框架与结构演化的示意图。
(a) 基本电子结构与晶体结构：展示了UHTCs的微观结构基础。
(b) 块体UHTCs微观结构：通过粉末合成与致密化工艺制备。
(c) 氧化与烧蚀行为：展示了UHTCs在极端环境下的表面反应。
(d) 连续纤维增强UHTCs的设计架构：展示了通过纤维增强提高韧性的策略。
(e) 关键纤维-基体界面微观结构：强调了界面在复合材料性能中的重要性。
(f) 多尺度建模与逆向设计：展示了通过计算科学加速材料研发的策略。
