上海硅酸鹽所在高熵超高溫陶瓷基復合材料研究中取得重要進展

                文章來源:上海硅酸鹽研究所  |  發布時間:2022-09-02  |  【打印】 【關閉

                  

                  作為新型高速飛行器研制的關鍵技術之一,熱結構是保障飛行器極端環境安全服役的基石和關鍵。纖維增強超高溫陶瓷基復合材料從根本上克服了陶瓷材料固有的脆性,同時具有輕質、耐超高溫、抗氧化燒蝕、可設計性強等優點,成為新型高速飛行器熱結構的首選材料,具有重要的科學意義和工程應用價值。隨著新一代高速飛行器朝著更高速度方向發展,其熱結構面臨的服役環境更加嚴苛,對材料耐高溫、抗燒蝕等綜合性能提出了更為苛刻的要求。 

                  “高熵”是近年來出現的新的材料設計理論,其概念最初由高熵合金發展而來。隨著高熵合金研究的不斷深入,高熵的概念逐漸拓展到其他材料體系中。由于高熵效應的存在,高熵超高溫陶瓷具有很多新奇的性能,使其成為超高溫陶瓷領域的研究熱點和重要發展方向。 

                  中國工程院院士、中國科學院上海硅酸鹽研究所董紹明研究員帶領的團隊將高熵超高溫陶瓷與陶瓷基復合材料概念相結合,首次制備并報道了Cf/(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)C-SiC高熵超高溫陶瓷基復合材料。材料綜合性能優異,抗彎強度~322 MPa,斷裂韌性~8.24 MPa·m1/2;在5MW/m2熱流密度(溫度~2430°C)條件經空氣等離子燒蝕考核300s,材料線燒蝕率僅為~2.89μm/s,表現出優異的抗燒蝕性能。相比簡單體系的超高溫陶瓷基復合材料,Cf/(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)C-SiC高熵復合材料具有全新的抗燒蝕機制:在高溫燒蝕中心,(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)C氧化形成 (TiZrHfNbTa)Ox高熵氧化物,并在降溫過程中部分轉變生成片狀(Hf0.5Zr0.5O2)’及 (TiNbTaO7-y)納米晶;而在溫度較低的燒蝕過渡區,(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)C則直接氧化生成較小尺寸的片狀(Hf0.5Zr0.5O2)’及納米晶/棒狀(TiNbTaO7-y)’。分析表明:燒蝕表面形成的多相氧化物保護層結構穩定,且在寬溫域具有自愈合性,從而在燒蝕過程中對內部材料提供有效保護。該研究為耐極端高溫陶瓷基復合材料及熱結構的設計制備提供了全新的思路和解決方案。 

                  相關研究成果以“Ablation behavior and mechanisms of Cf/(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)C-SiC high-entropy ceramic matrix composites”為題發表在Composites Part B: Engineering(2022, doi:10.1016/j.compositesb.2022.110177)。上海硅酸鹽所博士生蔡飛燕為第一作者,倪德偉研究員和董紹明研究員為通訊作者。 

                  該項工作得到了科技部攻關項目專項、中科院重點部署和中科院前沿科學重點研究計劃等項目的資助和支持。 

                  文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110177。 

                  
                  燒蝕中心形成的(TiZrHfNbTa)Ox:微觀形貌(a,b)、晶體結構解析(c-e)及元素組成分析(f-i)
                  
                  燒蝕表面片狀(Hf0.5Zr0.5O2)’和 (TiNbTaO7-y)’ 納米晶形成的“三明治”結構:微觀形貌(a,d)、晶體結構解析(b, e)及元素組成分析(c, f)
                   
                  Cf/(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)C-SiC復合材料在高溫燒蝕和降溫過程中的物相轉變示意圖 
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