中科院上海硅酸鹽所首次制備高熵超高溫陶瓷基復(fù)合材料

　　【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】隨著科技的發(fā)展，飛行器速度不斷提高，隨之而來(lái)的氣動(dòng)加熱問(wèn)題也日趨嚴(yán)重：受熱結(jié)構(gòu)由于還受到約束或由于溫度場(chǎng)的不均勻而產(chǎn)生熱應(yīng)力，并可能由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或產(chǎn)生大變形。作為高速飛行器研制的關(guān)鍵技術(shù)之一，熱結(jié)構(gòu)是保障飛行器極端環(huán)境安全服役的基石和關(guān)鍵。
 

　　隨著新一代高速飛行器朝著更高速度方向發(fā)展，其熱結(jié)構(gòu)面臨的服役環(huán)境更加嚴(yán)苛，對(duì)材料耐高溫、抗燒蝕等綜合性能提出了更為苛刻的要求。
 

　　纖維增強(qiáng)超高溫陶瓷基復(fù)合材料從根本上克服了陶瓷材料固有的脆性，同時(shí)具有輕質(zhì)、耐超高溫、抗氧化燒蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為新型高速飛行器熱結(jié)構(gòu)的首選材料，具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
 

　　“高熵”是近年來(lái)出現(xiàn)的新的材料設(shè)計(jì)理論，其概念最初由高熵合金發(fā)展而來(lái)。隨著高熵合金研究的深入，高熵的概念逐漸拓展到其他材料體系中。由于高熵效應(yīng)的存在，高熵超高溫陶瓷具有較多新奇的性能，使其成為超高溫陶瓷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重要發(fā)展方向。
 

　　中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員董紹明帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，將高熵超高溫陶瓷與陶瓷基復(fù)合材料概念相結(jié)合，首次制備并報(bào)道了Cf/(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)C-SiC高熵超高溫陶瓷基復(fù)合材料。該材料綜合性能優(yōu)異，抗彎強(qiáng)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(jīng)空氣等離子燒蝕考核300s，材料線燒蝕率僅為~2.89μm/s，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗燒蝕性能。相比簡(jiǎn)單體系的超高溫陶瓷基復(fù)合材料，Cf/(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)C-SiC高熵復(fù)合材料具有全新的抗燒蝕機(jī)制：在高溫?zé)g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(guò)程中部分轉(zhuǎn)變生成片狀(Hf0.5Zr0.5O2)’及 (TiNbTaO7-y)’納米晶；而在溫度較低的燒蝕過(guò)渡區(qū)，(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(hù)層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且在寬溫域具有自愈合性，從而在燒蝕過(guò)程中對(duì)內(nèi)部材料提供有效保護(hù)。該研究為耐極端高溫陶瓷基復(fù)合材料及熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制備提供了全新的思路和解決方案。
 

　　相關(guān)研究成果Ablation behavior and mechanisms of Cf/(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)C-SiC high-entropy ceramic matrix composites于近日發(fā)表在Composites Part B: Engineering。
 

 

參考來(lái)源：中科院上海硅酸鹽研究所