由于飛行器機翼前緣和鼻錐等關(guān)鍵部件在飛行過程中長時間處于高超聲速巡航、跨大氣層飛行和大氣層再入等極端環(huán)境，與大氣劇烈摩擦而產(chǎn)生極高的溫度，因而要求這些部件的材料體系能夠滿足高溫、長壽命的使用要求。碳化物陶瓷（如TiC、SiC、ZrC等）和硼化物陶瓷（如ZrB₂、LaB₆等）憑借能夠承受高達2200攝氏度的優(yōu)勢而成為航空航天關(guān)鍵熱端部件的理想候選材料，低成本批量化制備滿足要求的原材料一直是該領(lǐng)域的熱點課題。

采用碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（CMC-SiC）的燃燒室部件

燃燒合成法是近年來大規(guī)模制備碳化物和硼化物粉體采用的常用技術(shù)。該技術(shù)利用反應(yīng)物之間高的化學(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)作用來合成材料，當反應(yīng)物一旦被引燃，便會自動向尚未反應(yīng)的區(qū)域傳播，直至反應(yīng)完全，也稱自蔓延高溫合成技術(shù)（SHS）。

一方面，高溫燃燒法工藝簡單，反應(yīng)迅速、能耗低，一經(jīng)引燃啟動過程后就不需要對其進一步提供任何能量，且燃燒產(chǎn)生的高溫（通常在2100~3500K以上，最高可達5000K），可將易揮發(fā)雜質(zhì)排除，使產(chǎn)品純度提高。但另一方面，燃燒溫度過高也會導(dǎo)致顆粒長大的問題，不易制備納米級粉體，同時燃燒引發(fā)的反應(yīng)或燃燒波的蔓延相當快，一般為0.1～20.0cm／s，最高可達25.0cm／s，因此反應(yīng)進程的控制是最大難題。

燃燒合成（自蔓延）技術(shù)流程

燃燒合成反應(yīng)原理

目前的一些研究表明，在燃燒合成體系中加入稀釋劑能夠解決因燃燒溫度過高導(dǎo)致顆粒長大的問題，其機理是：稀釋劑的熔化和揮發(fā)吸收了反應(yīng)放出的熱量，有效降低了體系絕熱溫度；同時為反應(yīng)提供液相環(huán)境增加冷卻速度，從而可調(diào)控SHS反應(yīng)過程，提高成核速率，抑制顆粒長大。

以該理論為基礎(chǔ)，蘭州理工大學(xué)的喇培清教授在TiO₂-C-Mg、SiO₂-C-Mg和ZrO₂-C-Mg燃燒合成體系中加入稀釋劑，制備出了平均粒徑最小74 nm、比表面積為15.2 m₂/g的TiC粉體；平均粒徑最小28 nm、比表面積為53.2 m₂/g的SiC粉體；平均粒徑最小48 nm、比表面積為19.5 m₂/g的ZrC粉體。在ZrO₂-B₂O₃-Mg體系中通過改變稀釋劑的加入量調(diào)控得到平均粒度為104 nm的ZrB₂粉體。在La₂O₃-B2O₃-Mg-KCl體系中制備得到平均粒徑為345 nm形貌為多面體且結(jié)晶度良好的LaB6粉體，成功實現(xiàn)了高純納米碳化物、硼化物粉體的規(guī)模化制備。

鹽助燃燒合成法制備的 LaB₆ 粉體浸出后的 SEM 圖，稀釋劑KCL分別為：( a) 5% ; (b)15% ;(c)25% ;(d)35% ;(e)45%。隨著稀釋劑濃度增加，LaB₆ 粉體的平均粒徑不斷減小。

為了讓感興趣的小伙伴了解更多關(guān)于鹽助燃燒合成技術(shù)的知識，粉體圈邀請了蘭州理工大學(xué)的喇培清教授到“2023全國先進陶瓷產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展（唐山）論壇”作題為《鹽助燃燒合成規(guī)模化制備航天航空用高純納米碳化物和硼化物陶瓷材料》的報告，分享燃燒合成技術(shù)制備碳化物、硼化物的相關(guān)知識以及取得的相關(guān)成果，屆時歡迎您的傾聽。

報告人簡介

喇培清，教授、博士生導(dǎo)師，省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室副主任，中國微米納米技術(shù)學(xué)會理事、入選教育部新世紀優(yōu)秀人才計劃。主要從事微納結(jié)構(gòu)鋼鐵材料和納米粉體規(guī)模化制備技術(shù)等研究，主持完成國家自然科學(xué)基金項目、科技部政府間科技合作項目、甘肅省揭榜掛帥、甘肅省科技重大專項、酒鋼集團、金川集團、上海電氣和甘肅德福新材料公司等科技項目。發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇，其中SCI、EI期刊150多篇，在國際、國內(nèi)大會報告、邀請報告30篇，獲國家發(fā)明專利18項。獲甘肅省科技進步一等獎1項、技術(shù)發(fā)明一等獎1項、自然科學(xué)二等獎1項、國家基金委優(yōu)秀項目獎。

唐山先進陶瓷論壇會務(wù)組

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