W wydaniu naszego czasopisma z czerwca 2025 przyjrzeliśmy się wstępnie stosunkowo nowej klasie materiałów określanej jako ceramika ultra-wysokotemperaturowa – UHTC (z ang. ultra-high temperature ceramics) w kontekście hipersonicznych systemów uzbrojenia, a także budowy perspektywicznych statków powietrznych, zdolnych poruszać się z prędkością ponad pięciokrotnie większą od prędkości dźwięku.
Tak wysokie prędkości wywołują unikalne zjawiska aerotermodynamiczne, związane z powstawaniem fali uderzeniowej, tarciem i gwałtownym nagrzewaniem do temperatury powyżej 2000 °C. Cząsteczki gazu w takich warunkach ulegają rozpadowi i jonizacji, tworząc strumień wysokotemperaturowej plazmy. Lot hipersoniczny stwarza więc skrajnie niekorzystne warunki, w których zawodzą nawet najwytrzymalsze metale, stopy, kompozyty i typowe materiały ceramiczne. Tym samym, opracowanie materiałów, zdolnych sprostać wymaganiom lotów hipersonicznych, stanowi nie lada wyzwanie dla inżynierii materiałowej. To właśnie rozwiązaniu tych problemów technologicznych służy ceramika ultra-wysokotemperaturowa, charakteryzująca się niespotykaną stabilnością termomechaniczną w wysokiej temperaturze.
W obrębie rodziny UTHC możemy doliczyć się około trzystu materiałów o temperaturze topnienia powyżej 2000 °C. Są to zasadniczo borki, azotki i węgliki pierwiastków z grupy metali przejściowych. Tymczasem, jeśli chodzi o materiały o temperaturze topnienia powyżej 3000 °C, wybór ogranicza się do borków, azotków i węglików: boronu, hafnu, tantalu, niobu, cyrkonu i tytanu, a także tlenku toru [5]. Należy jednak mieć na uwadze, że temperatura topnienia jest jedynie umownym kryterium, niewystarczającym wobec złożonych mechanizmów fizyko-chemicznych, zachodzących w dynamicznych warunkach lotu hipersonicznego. Przykładowo, węglik tantalu topi się w temperaturze zbliżonej do 4000 °C, a w atmosferze gazu obojętnego zachowuje wytrzymałość mechaniczną w zakresie od 2900 do 3200 °C. Jednak w powietrzu ulega utlenianiu już od 750 °C [4].
Podobnie borek cyrkonu ZrB2, który topi się w temperaturze 3000 °C, po przekroczeniu granicy 1000 °C ulega postępującemu utlenianiu, prowadzącemu do formacji B2O3 o niskiej lepkości i jej odparowania, pozostawiającego z po sobie porowatą i nieciągłą warstwę Zr02 [3].
To właśnie odporność oksydacyjna i ablacyjna, obok wytrzymałości mechanicznej w wysokiej temperaturze, stanowi podstawowy wyznacznik przydatności materiału pod kątem zastosowań hipersonicznych.
Z tych samych względów dotychczasowe materiały, używane do produkcji powłok TPS (thermal protection system), a więc kompozyty C-C i C-SiC, sprawdzające się z powodzeniem w temperaturach poniżej 1600 °C, okazują się niewystarczające w warunkach przedłużonej ekspozycji na wyższe temperatury w powietrzu atmosferycznym [7]. Wśród znanych mechanizmów zwiększania odporności oksydacyjnej jest formacja szklistej fazy SiO2, wykazującej atrakcyjne właściwości w zakresie ograniczania przepuszczalności tlenu i samonaprawy uszkodzeń powierzchni. Oprócz tego, obecność węglika krzemu w metalurgii proszków korzystnie wpływa na przebieg spiekania, zapobiegając przerostowi ziaren krystalicznych.
Stąd też ważnym obszarem badań nad materiałami wysokotemperaturowymi są fazy ceramiczne, tworzące wielowarstwowe układy powłokowe, przyczyniające się do poprawy odporności oksydacyjnej i ablacyjnej UTHC i kompozytów węglowych.
cały artykuł jest dostępny w wydaniu płatnym 1/2 (220/221) styczeń/luty 2026
