超高溫陶瓷（UHTCs）通常定義為熔點超過3000 °C的陶瓷，在極端環(huán)境中仍能保持穩(wěn)定的物理和化學性質。典型的UHTCs包括Zr、Hf、Ta和Ti等過渡金屬的硼化物、碳化物和氮化物[1]。在這些材料中，ZrC因其高熔點（3540 °C）、高硬度（25.5 GPa）、出色的化學穩(wěn)定性、優(yōu)異的抗燒蝕性和相對較低的密度（6.56 g/cm³）而受到廣泛關注。這些特性使ZrC成為UHTCs應用的理想候選材料，已被廣泛應用于火箭發(fā)動機噴嘴、燃燒室襯里和航天器的抗氧化涂層[2]。

一維（1D）材料的特點是在兩個方向上尺寸較小，在第三個方向上尺寸顯著較大，從而具有高長徑比。典型的1D材料包括纖維、whiskers、納米線和納米管[[3]。Whiskers是單晶1D材料，直徑范圍為0.1至10 μm，長徑比大于10。由于其高度有序的原子結構和極少量的缺陷，whiskers表現(xiàn)出接近理論極限的機械強度[45]。ZrC whiskers結合了塊狀ZrC陶瓷的優(yōu)異性能和1D材料的獨特結構和性能優(yōu)勢，使其成為陶瓷基復合材料的理想增韌相[6]。Wei等人[7]制備了用ZrC whiskers增強的ZrB₂-SiC-C陶瓷，證明引入ZrC whiskers使復合材料的斷裂韌性提高了60%以上。Liu等人[8]在Al₂O₃-SiC-C耐火材料中實現(xiàn)了ZrC whiskers的原位生長。與未添加whiskers的耐火材料相比，這些復合材料的機械性能顯著提高（提高了66.56%）。此外，ZrC whiskers在場發(fā)射器件中的應用也越來越受到關注。Chiu等人[9]研究了單個ZrC whiskers，發(fā)現(xiàn)其在相對較低的電壓下具有優(yōu)異的場發(fā)射性能，場增強因子為8.23×10⁶ m^-1，電流密度為6.92×10¹⁰ A/m²。

合成1D UHTCs的主要方法包括化學氣相沉積（CVD）、前驅體轉化法、模板輔助合成和熔鹽法。Ren等人[10]使用CVD方法在C/C復合基底上合成了HfC納米線。制備的HfC納米線具有較高的長徑比，直徑約為50 nm，長度可達數(shù)百微米。盡管通過CVD合成的1D材料通常是單晶且成分可控，但CVD過程相對復雜，需要嚴格控制溫度、氣氛和氣體流動。Wu等人[11]使用有機Zr基前驅體和適當?shù)拇呋瘎┩ㄟ^前驅體轉化法合成了ZrC whiskers。這些ZrC whiskers具有單晶結構，直徑范圍為0.5至2 μm，長度可達數(shù)百微米。雖然前驅體轉化法具有工藝簡單和可擴展性的優(yōu)點，但也存在局限性，如前驅體的可用性和成本較高，以及去除副產(chǎn)物的難度。Mu等人[12]使用多壁碳納米管（MWCNTs）作為碳源和模板合成了HfC納米線。HfC納米線的直徑為100-200 nm，長度為數(shù)十微米。雖然模板輔助合成方法可以很好地控制1D產(chǎn)品的形態(tài)和尺寸，但模板去除步驟較為復雜，且某些模板成本較高。Tang等人[13]使用NaCl和NaF作為熔鹽制備了TaC whiskers。所得到的單晶TaC whiskers具有四方棱柱形結構，平均直徑為0.8 μm，長度為幾微米。熔鹽法因其操作簡單、設備要求低、合成溫度相對較低且產(chǎn)量高而具有較大應用潛力，但熔鹽往往殘留在產(chǎn)品中，某些熔鹽具有腐蝕性，需要額外的后處理純化步驟[14]。

近年來，熔鹽法作為一種快速發(fā)展的1D材料合成方法逐漸受到關注。熔鹽在此過程中扮演了雙重角色：首先，它們提供了液態(tài)環(huán)境，降低了反應物的擴散活化能，并為生長提供了均勻的介質；其次，熔鹽參與反應形成中間相，這些中間相再與其他反應物反應生成1D材料。Chen等人[15]使用NaCl、NaF和KCl作為熔鹽合成了TaC whiskers。結果表明，NaCl/NaF體系通過氣-液-固（VLS）機制生成了柱狀whiskers，而KCl體系則生成了VLS生長的立方棱柱形和液-固（LS）生長的圓錐形whiskers。Xiong等人[16]使用纖維素作為碳源合成了TiC whiskers。隨著C:Ti摩爾比的增加，TiC whiskers的產(chǎn)量和長徑比提高，但碳過量會導致產(chǎn)物中殘留碳。Krishnarao等人[17]使用K₂CO₃作為熔劑和NiCl₂作為催化劑合成了TiC whiskers，發(fā)現(xiàn)NiCl₂僅在熔鹽環(huán)境中協(xié)同促進了whiskers的生長。通過平衡K₂CO₃含量和加熱速率（高溫下含量較高，低溫下含量較低），實現(xiàn)了最佳生長效果。Zhang等人[18]研究了反應溫度對ZrC whiskers產(chǎn)量和形態(tài)的影響。結果表明，隨著反應溫度從1100 °C升至1400 °C，產(chǎn)物從塊狀TaC轉變?yōu)楦唛L徑比的TaC whiskers，隨后粗化成低長徑比的TaC納米棒。Guo等人[19]使用NaF作為熔鹽合成了ZrC whiskers，所得whiskers具有典型的四方棱柱形結構，長度為100-250 μm，直徑為1-2 μm。Li等人[20]使用ZrOCl₂·8H₂O、蔗糖和NaF合成了ZrC whiskers，發(fā)現(xiàn)1500 °C是獲得高長徑比的最佳溫度，而1600 °C由于擴散無序導致粗化。此外，增加C:Zr比例（最高達到5:1）提高了whiskers的產(chǎn)量和長徑比，但碳過量（6:1）則生成了塊狀ZrC。與TiC和TaC相比，關于熔鹽法合成ZrC whiskers的系統(tǒng)研究較少，以往的研究往往局限于特定的碳源或有限的技術參數(shù)。本研究系統(tǒng)優(yōu)化了ZrC whiskers的熔鹽合成工藝，評估了四種碳源（碳黑、活性炭、石墨、纖維素）的影響，并對關鍵工藝參數(shù)（碳含量、熔鹽和催化劑含量、反應溫度及保溫時間）進行了系統(tǒng)優(yōu)化。

本文使用ZrO₂、NaF、Ni和四種碳源（碳黑、活性炭、石墨、纖維素）合成了ZrC whiskers。遵循單變量原則，系統(tǒng)研究了碳源類型和含量、熔鹽和催化劑含量、反應溫度及保溫時間的影響，并闡明了ZrC whiskers的生長機制。