这篇文章是一篇综述文章 (类型b)。以下是基于文档内容生成的学术报告。
本篇题为《Ultra-high temperature ceramics: Aspiration to overcome challenges in thermal protection systems》的文章，由 Ambreen Nisar、Rubia Hassan、Arvind Agarwal 和 Kantesh Balani 等学者撰写，作者分别来自印度理工学院坎普尔 (Indian Institute of Technology Kanpur) 的材料科学与工程系、佛罗里达国际大学 (Florida International University) 的机械与材料工程系，以及印度理工学院坎普尔的先进材料研究中心。本研究发表在期刊《Ceramics International》第48卷 (2022年) 上，文章在线发布日期为2021年12月20日。
本文围绕“超高温陶瓷（Ultra-high Temperature Ceramics, UHTCs）”展开综述，探讨其在高温热防护系统（Thermal Protection Systems, TPS）中的应用潜力和面临的挑战。随着航空航天领域对能够承受极端高温（>2000℃）的材料需求的增加，尤其是在高超音速（Hypersonic）飞行器和再入航天器的应用中，UHTCs因其高熔点、高硬度、高热导率以及优异的抗氧化性能而成为研究热点。然而，目前该领域仍存在诸多局限性，例如致密化难题、氧化抗性不足以及热力学性能间的权衡。
本综述的目的是总结UHTCs的材料特性、加工方法、性能优化以及在航空航天领域中的应用潜力，同时提出关于开发新型UHTCs及优化他们结构的前瞻性建议。
UHTCs主要分为三类：硼化物（Borides）、碳化物（Carbides）和氮化物（Nitrides）。其关键特性包括熔点高于3000℃，氧化物熔点高于1800℃，在1650℃的应用条件下具备较高的强度。
- 硼化物（例如ZrB₂、HfB₂）：具有金属般的高热导率（最高可达104 Wm⁻¹K⁻¹）和陶瓷般的高硬度（>15 GPa），在抗氧化性能和抗磨损性能方面表现出优势。 - 碳化物（例如TaC、HfC）：熔点更高，但抗氧化性较差，需通过添加硅化物、碳基材料等改性。 - 氮化物：由于熔点相对较低（比前两类低500℃到1200℃），仅少量应用于高温场景。
文章采用雷达图比较了不同UHTCs的熔点、比强度、热导率等性能，从多个角度分析了硼化物和碳化物的优劣。
UHTCs的致密化（Densification）是其应用的一大难题，由于该材料的强共价键和低自扩散系数，使烧结变得困难。文章综述了以下几种加工方法及其特点： - 热压烧结（Hot Pressing, HP）：能获得高密度，但形状设计受限且烧结时间较长。 - 放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering, SPS）：升温迅速、粒度小、有助于控制晶粒长大，是目前较主流的加工方式。 - 压力烧结和化学气相渗透法：能实现复杂形状的制备，但机械性能劣化。
文章强调，掺杂添加剂（如SiC、MoSi₂）和使用高纯度、细颗粒粉末显著提高了UHTCs的致密化水平，同时细化了微观结构。
UHTCs的机械性能如硬度、断裂韧性及高温抗弯强度因其致密化水平和添加剂使用而变化： - 添加20vol%的SiC（约20体积分数）能使硼化锆（ZrB₂）的显微硬度提升至27 GPa以上，断裂韧性达4.4 MPa·m^0.5。 - 石墨烯纳米片（Graphene Nanoplate, GNPs）与CNTs（碳纳米管）的引入，通过纳米级裂纹偏转机制，进一步增强了材料的断裂韧性和热物理性能。
此外，复合改性不仅改善了室温强度，也显著提升了高温强度，例如ZrB₂–SiC材料在1500℃的条件下可达到800 MPa的抗弯强度。
氧化和烧蚀性能是评估UHTCs高温应用潜力的重要指标： - UHTCs在1400℃至2000℃的氧化过程中，其高抗氧化性来自于硼酸（B₂O₃）和硅酸盐玻璃相的表面封闭作用，防止氧气扩散。 - SiC增强相可进一步优化ZrB₂抗氧化能力，在再入条件下（超音速等离子风洞试验），烧蚀速率显著低于传统材料。
测试表明，20vol%的SiC增强ZrB₂材料在2300℃的苛刻热流环境（5.4 MW/m²）下具有良好的形状保持能力和低质量损失。
高热导率（>89 Wm⁻¹K⁻¹）和优异的热冲击性能为UHTCs在航空航天中的使用提供基础。实验与模拟表明，ZrB₂–SiC的热冲击临界温差可达到376.3℃，在快速加热和冷却中均表现出良好的应力消散能力。这种性能归功于材料的高热导率和在一定温差下的裂纹抑制机制。
文章最后探讨了UHTCs未来的发展热点与应用前景： - 高熵超高温陶瓷（High-Entropy UHTCs）：通过引入多组元设计提高材料稳定性和综合性能。 - 梯度功能化材料（Functionally Graded Materials, FGMs）：实现热力学性能的精准调控，提高部件整体抗热冲击性。 - 计算模拟技术的集成应用：采用有限元分析、密度泛函理论等工具研究材料动态行为，为设计新型TPS材料提供理论依据。
这篇综述为超高温陶瓷研究的现状和未来发展提供了深入的总结和思考。文章不仅系统分析了UHTCs在TPS中的工程难题，提出了有针对性的解决思路，还为研究人员指明了新材料开发的方向。UHTCs在高温航空航天和国防应用中的潜力，尤其是在尖端领域如高超声速飞行器上的应用，具有重要的科学和实用价值。