极端环境用超高温陶瓷结构材料研究进展
李筱暄1, 付前刚1, 文子豪2, 杨金山3, 倪德伟3, 张洁4,程源5, 刘昱轩5, 褚衍辉2, 蔡飞燕3, 王京阳4, 张幸红5(1.西北工业大学 超高温结构复合材料国家级重点实验室; 2.华南理工大学 材料科学与工程学院; 3.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 关键陶瓷材料全国重点实验室; 4.中国科学院 金属研究所; 5.哈尔滨工业大学 航天学院, 复合材料与结构研究所)
摘要: 超高温陶瓷(Ultra-high Temperature Ceramic, UHTC)结构材料因其在1600℃以上氧化环境中表现出优异的抗氧化/烧蚀性能、高温强度保持率和抗热冲击性能, 成为航空航天、国防装备、能源动力等领域的重要候选材料。近年来, 围绕UHTC结构材料的成分调控、微观结构设计、先进制备工艺以及性能优化等方面, 基础研究和技术应用均取得了显著进展。以碳化物、硼化物、氮化物等为代表的UHTC 体系, 正面临着温度更高、环境更复杂的服役需求。为进一步推动极端环境用UHTC结构材料的发展, 本文系统综述了该领域的最新研究进展。首先,详细阐述了UHTC粉体的合成工艺; 其次, 深入探讨了超高温结构陶瓷的体系、致密化方法及结构调控策略; 继而重点分析了超高温陶瓷基复合材料(Ultra-high Temperature Ceramic Matrix Composites, UHTCMCs)、超高温陶瓷改性碳/碳复合材料(Ultra-high Temperature Ceramics Modified Carbon/Carbon Composites, UHTCs-C/C)以及UHTC 涂层的制备技术及其性能强化策略, 着重探讨了其在抗氧化/烧蚀领域的最新突破。同时, 本文还指出了极端环境下UHTC 结构材料在长期稳定性和可靠性方面面临的主要技术挑战, 并对其未来发展趋势进行了前瞻性展望。
关键词: 超高温结构材料; 超高温陶瓷; 复合材料; 涂层; 抗氧化/烧蚀; 综述
目录介绍
1 超高温陶瓷粉体及制备方法
1.1 元素化合法
1.2 热还原法
1.3 熔盐辅助燃烧合成法
1.4 聚合物前驱体转换法
1.5 超快热冲击合成法
2 超高温结构陶瓷
2.1 传统超高温陶瓷体系
2.1.1 碳化物超高温陶瓷
2.1.2 硼化物超高温陶瓷
2.1.3 氮化物超高温陶瓷和碳氮化物超高温陶瓷
2.2 高熵超高温陶瓷体系
2.2.1 碳化物高熵陶瓷
2.2.2 硼化物高熵陶瓷
2.2.3 氮化物和碳氮化物高熵陶瓷
2.3 超高温陶瓷的致密化
2.3.1 热压烧结
2.3.2 放电等离子烧结
2.3.3 闪速烧结
2.3.4 反应烧结
2.3.5 无压烧结
2.4 超高温陶瓷结构调控
2.4.1 超高温陶瓷纳米线
2.4.2 超高温陶瓷纤维
2.4.3 超高温陶瓷气凝胶
2.4.4 多孔超高温陶瓷
2.4.5 多级超高温陶瓷
3 超高温陶瓷基复合材料
3.1 超高温陶瓷基复合材料的制备技术
3.1.1 前驱体浸渍裂解
3.1.2 化学气相渗透/沉积
3.1.3 反应熔渗
3.1.4 浆料浸渍
3.1.5 增材制造
3.2 抗氧化/烧蚀性能与机理
4 超高温陶瓷改性碳/碳复合材料
4.1 基体改性方法
4.1.1 化学气相渗透法
4.1.2 前驱体浸渍裂解法
4.1.3 反应熔渗法
4.1.4 “固-液”或“固-气”组合工艺
4.2 抗氧化/烧蚀防护体系及性能
4.2.1 ZrC/ZrB2-SiC复相陶瓷改性C/C复合材料
4.2.2 HfC/HfB2-SiC复相陶瓷改性C/C复合材料
4.2.3 多元超高温陶瓷-SiC改性C/C复合材料
4.2.4 高导热超高温陶瓷改性C/C复合材料
5 超高温陶瓷涂层
5.1 超高温陶瓷涂层的制备技术
5.2 超高温陶瓷涂层成分与抗氧化/烧蚀性能
5.2.1 超高温过渡金属硼化物陶瓷涂层
(1)过渡金属硼化物涂层的抗氧化/烧蚀性能
(2)硅化物改性硼化物涂层的抗氧化/烧蚀性能
(3)稀土氧化物改性硼化物涂层的抗氧化/烧蚀性能
5.2.2 超高温过渡金属碳化物涂层
(1)过渡金属碳化物的抗氧化/烧蚀涂层
(2)第二相改性碳化物的抗氧化/烧蚀涂层
5.2.3 多层复合超高温陶瓷涂层
(1)单相超高温陶瓷/硅化物涂层
(2)多相超高温陶瓷/硅化物涂层
6 展望
(1)成分调控多元化
(2)结构设计智能化与工艺精细化
(3)材料开发低成本化与经济化
(4)轻量化与多尺度强韧化协同
(5)性能表征标准化与真实化
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