汕尾市前瞻高等理工研究院广东省汕尾市516600
摘要：随着社会经济的发展，我国的化工行业有了很大进展，在化工行业中，碳化钽(TaC)陶瓷具有熔点高、硬度高、化学稳定性好等优点，可应用于耐磨刀具、导电薄膜、航天推进等领域。本文综述了TaC陶瓷粉体及陶瓷材料的制备方法。着重介绍了直接化合反应法、双置换气相反应法、碳热还原法等工艺的基本原理和应用现状，概述了粉体不同烧结工艺的研究进展，最后总结展望了TaC陶瓷研制的发展趋势。
关键词：超高温陶瓷；制备；烧结；综述
引言
化学工业生产中的各种工业炉窑所排放出来的高温废气，有时候竟达到600℃～1400℃，废气含有大量的粉尘，粉尘颗粒细，粒径小于5μm～10μm，甚至在亚微米级，在高温体系中粉尘粘滞力有较大变化，分离难度高，废气中含有害物质和氯化物、硫化物等有酸性气体存在，具有一定的腐蚀性，这些高温废气的排放，会对环境造成污染。
1透波基本概念和科学技术内涵
高温透波材料是在恶劣使用环境条件下保护飞行器的通讯、遥测、制导、引爆等系统正常工作的一种多功能电介质材料，广泛应用于运载火箭、飞船、导弹及返回式卫星等再入飞行器。高温透波部件按其结构形式主要分为天线窗和天线罩两大类，用于保护雷达能够在高速飞行中正常工作，是发出和接收信号的通道。天线窗和天线罩不仅是无线电雷达系统的重要组成部分，还是飞行器的重要结构部件，要承受飞行器在飞行过程中严苛的气动力和气动热。根据其重要性次序，高温透波材料的评价指标分别为：(1)介电性能；(2)抗热震性；(3)力学性能；(4)抗雨水冲蚀性；(5)材料制造和加工的可行性；(6)重量；(7)价格。高温透波材料的主要衡量标准为介电性能、抗热震性能和力学性能，分别对应于透波、防隔热和承载的要求。透波性能是高温透波材料使用性能的首要参数，是设计选材的重要依据。高温透波材料首先需要能够满足在频率0.3GHz~300GHz、波长1nm~1000nm范围内保证电磁波的通过率大于70%，以保证飞行器在严苛环境下的通讯、遥测、制导、引爆等系统的正常工作。通常来讲，具有低介电常数及介电损耗角正切值的材料，通常具有较高的透波率。飞行器用高温透波材料的介电常数通常应该在10以下。如果材料具有较高的介电常数，则需要降低壁厚度以满足其透波性能，这将会对材料的力学性能和加工精度提出更为严苛的要求。材料的损耗角正切值越小，则电磁波透过过程中转化成热量而产生的损耗也就越小。因此，高温透波材料的损耗角正切值通常要达到10-4~10-3数量级，以获得较为理想的透波性能和瞄准误差特性。此外，为了保证在气动加热条件下尽可能不失真地透过电磁波，高温透波材料应具有稳定的高温介电性能。因此，要求材料不仅要具有低的介电常数和损耗角正切值，并且材料的介电性能不随温度、频率的变化而发生明显变化(如温升100℃，介电常数变化应小于1%)。
2陶瓷纤维在化工行业高温烟气处理的应用现状
（1）高温烟气中粉尘除尘与回收。在石油化工行业流化床设备中高温、高压气体的净化及催化剂回收，在粉体工程或矿物加工行业回收有价值的粉尘，如使用硅酸锆电熔生产氧化锆时，分解后烟气中可回收用途广泛的二氧化硅微粉。纳米材料生产其他超细粉体生产中高温粉体的回收，有机硅多晶硅行业的高温粉尘净化及物料回收，氧化钼冶炼高温烟气回收氧化钼和铼粉等。（2）高温烟气净化。在电石、铁合金加工等领域的高温烟气中含大量CO等可燃气体，密闭回收这些可燃气体，可用于后续工艺的燃气使用。在煤化工领域高温高压的煤合成气，煤干馏合成气，包括煤洁净燃烧新工艺-集成气化联合发电（IGCC），这些烟气中的固体粉尘是否脱除，直接关系到下游设备的运行寿命和安全，陶瓷纤维处理此类高温烟气粉尘极具优势，并能回收热能。（3）除尘、脱硫脱硝一体化超净排放。在煤化工焦化等领域，高温燃气中经常有很多对环境污染的气体，而陶瓷纤维有其特性，可以通过控制表面去负载催化剂后，在通过利用干法除尘工艺，不仅可以除尘，还可以净化烟气，以达到国家的环保排放标准。
3高温透波陶瓷材料发展历史及现状
天线罩/窗装于飞行器的头部，其作用是保持气动外形，保护导引头天线能够正常工作。由于飞行器速度很高，由此带来的气动力、热载荷非常严重，天线罩/窗需集防热、承力及透波等诸多功能于一身。天线罩/窗的设计是一个包含了气动、强度、防热、电磁及材料等多学科的综合课题，在飞行器的研制中越来越受到各军事或航天强国的重视。而天线罩/窗材料的技术水平则是制约天线罩/窗乃至飞行器发展的重要因素之一。
4发展适应多模复合制导的材料技术
多模复合制导是未来飞行器发展的趋势，特别是融合了微波和光学(包括红外、可见光、激光等)的复合制导技术已经有了很大进展。但是，相应的天线罩/窗，特别是在应用于高超音速飞行器上的耐高温微波/光学一体化透波天线罩/窗技术还处于空白。为实现微波和光学复合制导在飞行器上的应用，迫切需要发展相应天线罩/窗技术。其中，发展能同时透微波和红外的材料是其中的关键。国外在这方面已经取得了突破，其中AlON材料已经能够进行天线罩/窗的制备，而我国在这方面刚刚处于起步阶段，需要迎头赶上。
5化工行业高温烟气处理用陶瓷纤维技术发展趋势
首先，目前运用最多是硅酸铝陶瓷纤维，为了提高陶瓷纤维滤芯的使用温度和耐腐蚀性能，我们需要开发性能更高的陶瓷纤维，如提高陶瓷纤维纯度、开发含锆或其他高性能的复合陶瓷纤维。其次，对陶瓷纤维滤芯表面进行改性处理，使其表面光洁度增加，灰尘难以粘附聚集并具有疏水疏油性能，以期提高反吹清灰性能。再次，陶瓷纤维非对称膜结构设计，最外层膜孔径更小，内层膜孔径大便于保持高气通量减少运行阻力和易于反吹清灰。最后，因为陶瓷纤维滤芯多为短纤维加硅溶胶等胶粘剂通过抽滤成型或静压成型而成，其保持高孔隙率的优势同时，在使用中，受高温变化及清吹压力扫动及吸附灰尘重量影响，会因强度不足发生断裂现象。有研究在陶瓷纤维滤芯的颈部和封闭段加强化剂以增强局部的强度，但是这样可能会因此降低处理量。因此需要开发新的粘合剂和采用类似高硅氧编织网复合增强滤芯的提高滤芯强度技术。
结束语
综上所述，陶瓷的突出优点就是耐高温、硬度大，且化学稳定性非常好。在发动机喉衬和飞行器前缘等航天军事的高温领域，在硬质刀具、耐磨耐蚀部件，以及集成电路的内部连接件等民用领域的应用潜力巨大。通过对国内外TaC陶瓷研制现状的分析，：1）建立了可计及温度与层状结构共同影响的对称结构超高温陶瓷基复合材料涂层与基体层所受残余热应力的理论表征模型。2）随着温度的升高，各层所受的残余热应力发生了较为复杂的变化，其变化幅度与各层材料组成有关。涂层材料热膨胀系数与基体层材料热膨胀系数差别越大，变化趋势越明显。3）当涂层材料热膨胀系数大于基体层材料热膨胀系数时，涂层材料会遭受残余拉应力。当两层的热膨胀系数差别较大时，残余拉应力会达到很高的值（如算例中的1200MPa），即使在高温下，残余拉应力仍然很大。
参考文献
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