Ta4AlC3基复合材料的二维类石墨烯结构MXene强韧化机制与超高温力学行为

The nanolayered ternary Ta4AlC3 ceramic matrix composites exhibit promising high temperature structural applications. And the two-dimensional graphene-like structure MXenes, e.g. Ti3C2Tx、Ti2CTx、V2CTx and Ta4C3Tx, which come from the nanolayered ternary MAX, exhibit a unique properties. In this program, the synthesis of Ta4AlC3/MXene composites toughened and strengthened by two-dimensional graphene-like structure MXenes are suggested to be investigated. Effect of different processing parameters on the composition, microstructure and phase transition of the Ta4AlC3/MXene composites need to be investigated. The mechanical properties of Ta4AlC3/MXene composites at room and elevated temperature are investigated, together with the thermal shock resistance. The ultra-high temperature ablation properties of Ta4AlC3/MXene composites by oxyacetylene and plasma flame are investigated under atmosphere environment. And the ablation failure mechanism and mechanical behavior of the Ta4AlC3/MXene composites are determined by the analysis of the experimental results, theoretical models and fluid-thermal-solid coupling analysis. It would render a promising solution of the problem of high temperature ablation, thermal shock, and structure of high-temperature structural applications.

基于三元纳米层状Ta4AlC3陶瓷基复合材料超高温条件下的重要应用价值和源自于三元纳米层状Mn+1AXn的二维类石墨烯结构MXene的特殊性质，本项目提出制备二维类石墨烯结构MXene（Ti3C2Tx、Ti2CTx、V2CTx和Ta4C3Tx）强韧化的Ta4AlC3基复合材料，旨在解决Ta4AlC3基复合材料强韧化和超高温应用的基本科学难题。制备二维类石墨烯结构MXene并分析其微观结构和力学行为，通过分析不同工艺参数下Ta4AlC3/MXene复合材料成分、结构形成与转变的规律，成功制备出复合材料。测试复合材料的高低温力学性能和抗热震性，揭示复合材料的力学行为和强韧化机制。利用氧乙炔和等离子体火焰对复合材料进行大气环境下超高温烧蚀研究，并根据实验结果和理论模型进行流-热-固耦合分析，最终得到复合材料的超高温烧蚀失效机理和力学行为，促进解决耐超高温烧蚀、热震、可承载的功能结构材料应用问题。

基于三元纳米层状Ta4AlC3陶瓷基复合材料超高温条件下的重要应用价值和源自于三元纳米层状Mn+1AXn的二维类石墨烯结构MXene的特殊性质，本项目提出制备二维类石墨烯结构MXene强韧化的Ta4AlC3基复合材料，旨在解决Ta4AlC3基复合材料强韧化和超高温应用的基本科学难题。本项目研究制备了二维类石墨烯结构MXene Ti3C2Tx、Ti2CTx、V2CTx和Ta4C3Tx等材料，并分析其微观结构和力学行为。采用放电等离子烧结制备MAX-Ti3C2Tx体系材料，研究了Ti3C2Tx的加入在不同MAX基体中的物相转变与微观结构，探索了放电等离子烧结制备MAX-Ti3C2Tx体系材料，以及Ti3C2Tx MXene对不同MAX相陶瓷力学性能、热导率、热膨胀、抗高温氧化等性能的影响。以Cr2AlC与高温相对稳定的Ti3C2Tx MXene为原材料可以相对较容易制备得到Cr2AlC-Ti3C2Tx复合材料。以Ta4AlC3、Ta2AlC与高温相对稳定的Ti3C2Tx MXene为原材料，在Ti3C2Tx MXene 含量相对较少的情况下，分别容易形成(Tax, Ti1-x)2AlC和(Tay, Ti1-y)4AlC3固溶体。通过改善MXene的高温稳定性，调控MXene的含量，结合MXene与Ta4AlC3间的界面扩散与界面反应，才具有成功制备Ta4AlC3/MXene复合材料的可能性。对比研究了MXene分别与环氧树脂、金属铜等体系制备复合材料，分析了复合材料断裂破坏特征和力学行为，构建了复合材料界面模型，结合理论模型，揭示了不同基体复合强韧化机制。相关研究工作，为最终得到Ta4AlC3陶瓷基复合材料的超高温烧蚀失效机理和力学行为奠定基础，并为促进解决耐超高温烧蚀、热震、可承载的功能结构材料应用，在我国现代化国防科技具有耐高温氧化、烧蚀、热震、可承载的高超声速飞行器鼻锥和翼前缘，隐形飞行器等离子体尾焰挡板和高速战斗机尾焰挡板应用方面，产生推动作用。