原位合成SiC纳米线强韧化ZrB2-SiC超高温陶瓷材料研究

To improve the toughness and thermal shock resistance of ZrB2-SiC ultra-high temperature ceramic, a novel SiC nanowire-reinforced ZrB2-SiC ultra-high temperature ceramic will be developed by a feasible two-step method in the present project. Firstly, SiC nanowires will be uniformly in-situ synthesized on the surface of the powders of ZrB2 and SiC by an in-situ synthesis technique. Secondly, a dense SiC nanowire-reinforced ZrB2-SiC ultra-high temperature ceramic will be fabricated by spark plasma sintering. The project is aimed at improving the toughness of ZrB2-SiC ultra-high temperature ceramic and avoiding the cracking and failure of ZrB2-SiC ultra-high temperature ceramic. In the project, the technological conditions of fabricating SiC nanowire-reinforced ZrB2-SiC ultra-high temperature ceramic and its formation mechanism will be in-depth studied. The effect of the nanowires on the microstructure, physical properties, mechanical properties, thermal shock resistance, oxidation and ablation resistance of the ceramics will be investigated. The reinforcement mechanism of the nanowires in the ceramics will be revealed. The oxidation and ablation mechanisms of the ceramics under stress and the oxidation and ablation models of the ceramics in different service environments will be studied. The research results of this project can provide the theoretical foundation for broadening and improving the applications of ultra-high temperature ceramics exposed to the extraordinarily ultra-high temperature and high gas velocity environment.

本项目针对ZrB2-SiC超高温陶瓷材料易开裂、抗热冲击性能不佳等难题，提出开发一种新型SiC纳米线强韧化ZrB2-SiC超高温陶瓷材料，即首先采用原位合成技术在ZrB2、SiC陶瓷粉体表面均匀地原位合成出SiC纳米线，再采用放电等离子烧结技术将表面原位生长SiC纳米线的ZrB2、SiC粉体制备成SiC纳米线强韧化ZrB2-SiC超高温陶瓷材料，旨在提高超高温陶瓷材料的韧性和抗热冲击性能，避免在服役过程中的开裂与破坏。拟通过系统深入研究SiC纳米线强韧化ZrB2-SiC超高温陶瓷材料的制备工艺条件和相应机理，揭示纳米线对材料的微观结构、物理、力学、抗热冲击和抗氧化/烧蚀等性能的影响规律，探明纳米线的强韧化机制，探讨材料在应力作用下的氧化烧蚀机制，建立材料在多种服役环境下的氧化烧蚀模型，为拓展和提高超高温陶瓷材料在超高温高速气流冲刷极端环境下的应用奠定理论基础。

超高温陶瓷材料属于战略性高技术材料，是国家重大战略亟需发展的材料，广泛用于航空航天发动机、空天飞行器热防护、航空刹车、核能以及高速切削刀具等极端环境下服役的部件中。特别地，硼/碳化物超高温陶瓷材料是目前研究最为深入、最为成熟的超高温陶瓷材料体系。然而它们本身固有的脆性和较差的抗热冲击性能一直是限制该材料在超高温高速气流冲刷极端环境下应用的关键，为此，本项目提出了SiC纳米线强韧化硼/碳化物超高温陶瓷材料，解决了该材料材料韧性差、抗热冲击性能不佳等难题，主要取得了以下方面的研究成果：.（1）基于材料基因工程理念，借助高通量计算和实验相结合手段，建立了高熵超高温陶瓷材料多因素形成能力理论判据。为此，采用熔盐法、硼热还原法、硼/碳热还原法、碳热还原法以及聚合物先驱体转化法等多种方法成功合成出系列高纯、亚微米/纳米级、成分均匀的高品质高熵硼/碳化物超高温陶瓷粉体，突破了高品质高熵超高温陶瓷粉体关键制备技术，揭示了相关的合成机理。.（2）提出采用原位CVD可控合成新方法在超高温陶瓷粉体表面生长SiC纳米材料，实现了系列SiC纳米材料可控生长；发现了纳米材料高温普拉托-瑞利不稳定性以及螺位错等两种新型生长机理，并建立了相应的生长模型。.（3）采用原位CVD法与热压和放电等离子法等相结合的多种途径，成功地将SiC纳米线均匀地引入硼/碳化物超高温陶瓷中，开发出系列SiC纳米线强韧化超高温陶瓷材料体系；纳米线的引入使材料的断裂韧性提高了105%、弯曲强度提高了75%，起始氧化温度提高了200℃；揭示了SiC纳米线的拔出、桥联以及微裂纹偏转等纳米强韧化机制；制备的材料经在2300℃的氧乙炔烧蚀270s后表现出优异的抗热冲击性能和抗氧化抗烧蚀性能，揭示了材料在极端服役环境下的氧化烧蚀机理，为拓展和提高超高温陶瓷材料在超高温高速气流冲刷极端环境下的应用奠定理论基础。