结构陶瓷——承载人类文明的基石

陶瓷,作为人类文明史上具有里程碑意义的人工合成材料,不仅承载着中华民族的骄傲,更是中华民族智慧和创新精神的集中体现。经过数千年的沉淀与演化,陶瓷已发展成为一个博大精深、丰富多彩的材料体系。传统陶瓷与先进陶瓷交相辉映,共同构筑起人类文明的物质基石。其中,先进结构陶瓷更是以其耐高温、抗腐蚀以及优异的力学性能等特性.

航机CMC热端部件用热喷涂涂层的机遇与挑战

随着航空发动机涡轮前燃气入口温度的不断攀升,陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite, CMC)以其轻质、高强、抗氧化、对裂纹不敏感、耐温性能优异等特点,成为新一代航空发动机高温部件的首选基体材料。但CMC存在抗高温水氧侵蚀性能不足等问题,发动机CMC热端部件用热喷涂涂层成为亟待解决的技术瓶颈。本文结合国外航空发动机热端部件选材方案的更迭及工程应用实例,分析了发动机热端部件采用高温合金+气膜冷却+热障涂层方案的技术局限性,明确了CMC+适量气膜冷却+环境障碍涂层方案的技术优势;综述了CMC用热与环境障碍涂层(Thermal and Environmental Barrier Coatings, TEBCs)和环境障碍可磨耗封严涂层(Environmental Barrier Coatings-Abradable Sealing Coatings, EBCs-ASCs)的研究进展、应用情况以及近些年国内外学者的研究成果;辨析了面向更高温燃气来流时热喷涂环境障碍涂层面临的机遇与挑战,为后续TEBCs的组分和结构设计以及制备明确了方向,并对今后研究工作的重点进行了展望。

连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料在先进核能领域的发展研究

先进核能系统的发展对核材料在多场耦合极端环境中的服役稳定性提出了更高要求。连续碳化硅纤维增强碳化硅(SiCf/SiC)陶瓷基复合材料具有低密度、高温力学性能优异、抗腐蚀、耐辐照等优点,且在外力作用下呈现“假塑性”断裂行为,被视为先进核能系统中极具应用前景的新型结构材料。本文首先从材料级、构件级、服役性能三个层面系统总结了核用SiCf/SiC复合材料的基础研究体系,分析了美国、法国、日本等传统核电强国,其他新兴核电国家和我国在核用SiCf/SiC复合材料领域的发展趋势,梳理了我国核用SiCf/SiC复合材料在原材料、数据积累和专利标准等方面存在的问题与发展面临的挑战,针对性地提出了相关措施与建议,包括加强材料制备技术研发、发展研发新范式、强化“产学研用”合作关系、在坚持以我为主的基础上加强国际交流等,以期为我国核用SiCf/SiC复合材料领域的研究方向及决策制定提供参考。

高熵碳化物超高温陶瓷的研究进展

高速飞行技术的发展对高性能热结构材料提出了迫切需求。高熵碳化物(HECs)陶瓷作为近年来发展迅速的一类新型材料,兼具高熵陶瓷与超高温陶瓷的优良特性,在极端服役环境中具有广阔的应用前景,因此得到国内外学者的广泛关注。相比仅含有一种或两种过渡金属元素的传统超高温碳化物陶瓷,HECs综合性能有所提升,且具有更强的组成和性能可设计性,因此具备较大的发展潜力。经过对HECs的不断探索,研究人员获得了许多有趣的结果,开发了多种HECs的制备方法,对HECs的显微结构和性能的认识也更加深入。本文综述了HECs的基本理论以及从实验过程中获得的规律;对HECs粉体、HECs块体、HECs涂层及薄膜,以及纤维增强HECs基复合材料的制备方法进行了梳理和归纳;并对HECs的力学、热学等性能,尤其是与高温应用相关的抗氧化、抗烧蚀性能的研究进展进行了综述和讨论。最后,针对HECs研究中有待进一步完善的科学问题,对HECs的未来发展提出了展望。

陶瓷基复合材料涡轮动叶榫头元件静强度实验及缺陷影响

陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC)涡轮动叶榫头是动叶装配与承受离心载荷的关键。为了研究熔渗工艺制备CMC榫头在叶片旋转径向拉伸载荷下的力学行为,验证榫头内部质量对其静拉伸强度与破坏模式的影响,设计并制备燕尾形CMC高压涡轮动叶榫头元件试件,对其进行单轴静态拉伸实验,采用X射线CT无损检测对实验前试件内部质量进行扫描,采用DIC与声发射方法对实验过程进行监测。结果表明:燕尾形CMC榫头在单轴静态拉伸下保持完好接触,其静态拉伸强度与破坏模式对其内部质量(尤其是分层缺陷)非常敏感。试件不含分层缺陷时,损伤起始于榫头颈部,并迅速扩展,损伤起始载荷与最大破坏载荷接近,断口呈横向锯齿状;试件内部含分层缺陷时,损伤起始于缺陷,分层逐渐扩展并导致试件断裂,损伤起始载荷下降99.05%,最大破坏载荷下降14.29%,断口位置与分层缺陷一致。

高温等静压后处理液相烧结SiC陶瓷的强化与增韧机理

研究了高温等静压（ＨＩＰ）后处理对液相烧结ＳｉＣ陶瓷的强化与增韧机理．通过讨论ＨＩＰ后处理对材料显微结构与力学性能的影响，建立了实验模型，深入分析了ＨＩＰ氮化后处理过程中，起主导作用的物理化学过程，并将此过程分为Ｎ２的扩散、表面氮化反应及进一步的致密化三个阶段．结果表明，ＨＩＰ后处理过程受液相烧结ＳｉＣ陶瓷显微结构的影响非常显著，当ＳｉＣ的液相烧结温度较低，晶粒尺寸较小时，将有利于Ｎ２沿ＳｉＣ晶界的扩散、促进ＳｉＣ与Ｎ２之间的反应，增进高温高压条件下晶粒间沿晶界的滑移及晶粒的重排，从而可以强化ＨＩＰ后处理尤其是氮化后处理效果．ＨＩＰ后处理对液相烧结ＳｉＣ的强化与增韧机理可归纳为：（１）致密而均匀显微结构的形成；（２）开口气孔及表面缺陷的消除；（３）表面压应力的产生。

高温等静压烧结碳化硅基复相陶瓷的强化与增韧

本文通过Si3N4、TiC及SiC晶须补强SiC基复相陶瓷的高温等静压烧结，研究了复相陶瓷的显微结构与力学性能，探讨了晶须及第二相颗粒对复相陶瓷的强化与增韧机理．结果表明，不同的补强颗粒及晶须在基体中的作用也不同，Si3N4的引入将在基体与第二相颗粒之间产生径向压应力，阻碍裂纹的扩展，TiC的引入将在基体与第二相颗粒之间产生径向张应力，诱导裂纹的偏转；SiC晶须的引入也将产生阻碍裂纹扩展的机制，从而达到SiC基复相陶瓷强化与增韧，改善其力学性能．

纳米SiC及Si_3N_4/SiC的高温等静压研究

采用高温等静压（HIP）工艺，制备了纳米结构的单相SiC及Si3N4／SiC复相陶瓷，并通过X射线衍射分析、透射及高分辨电镜对其相组成及结构进行了表征．实验表明，在温度1850℃、压力200MPa条件下保温lh，可获得晶粒尺寸＜100nm、结构均匀、致密的单相SiC纳米结构陶瓷．对于St3N4／SiC复相体系，初始粉末的结晶形态对烧结体的结构有很大的影响.将初始粉末进行预处理后：在温度1750℃、压力150MPa条件下保温1h，可获得晶粒尺寸在50nm左右、结构致密、均匀的复相Si3N4／SiC纳米陶瓷材料．

高温等静压后处理液相烧结SiC陶瓷的结构与性能表征

本文研究了高温等静压（HIP）后处理工艺对液相烧结SiC陶瓷的显微结构及力学性能的影响．实验表明，HIP后处理的效果随烧结助剂的不同及液相烧结温度的变化而改变．Ar气氛条件下的HIP后处理可以提高液相烧结SiC的密度，减少或消除内部气孔等结构缺陷，但不引起晶粒的长大．N_2条件下的HIP后处理除了具有Ar－HIP后处理的优点外，由于表面SiC与N_2之间的反应生成的Si_3N_4可以有效地改善表面状态，从而达到表面改性，提高SiC陶瓷的力学性能．结构分析表明，经N_2-HIP后处理，表面氮化层中晶粒细小，结构致密．同时，HIP后处理的效果还受液相烧结SiC陶瓷显微结构的影响，当液相烧结SiC的烧结温度较低，晶粒较细时，经HIP后处理，尤其是N_2-HIP后处理，强度和韧性均有较大幅度的提高．

浅析极端环境下服役陶瓷基复合材料的构建

连续纤维增强陶瓷基复合材料由纤维、陶瓷基体和界面三元素构成。由于其具有密度低、耐高温、抗腐蚀、抗辐照、强度高等特点,且在断裂过程中表现为非脆性断裂特征,因此成为一类重要的结构材料,在一些极端服役环境中体现出不可替代的发展趋势,备受世界各国关注。近20多年来,欧美、日本等发达国家一直将陶瓷基复合材料的研发作为重点研究方向,并投入巨资进行研究。针对新一代高推重比航空发动机热端结构、高超声速飞行器热防护结构以及新一代核能系统结构部件对适用于极端服役环境陶瓷基复合材料的需求,结合目前的研究现状,从组成、结构设计和制备的角度浅析适用于不同服役要求的陶瓷基复合材料的构建,为材料在极端环境下的性能优化提供借鉴。

制备工艺对热压烧结SiC/SiC复合材料结构与性能的影响

采用纳米SiC和亚微米SiC粉料作为基体形成原料,通过热压烧结技术制备了SiC/SiC 复合材料.研究了粉料颗粒、烧结温度、烧结压力对复合材料显微结构和各种性能的影响.结果显示,采用纳米碳化硅粉体可有效降低烧结温度,促进复合材料的致密化过程,在1780℃、20MPa条件下可获得性能优良的复合材料.而采用亚微米SiC粉体,复合材料的致密化过程需要较高的温度,但随着密度的增加,基体与纤维之间的作用力增强,不利于性能的提高.

SiC/SiC复合材料MI工艺制备技术

以碳化硅纤维或其他无机纤维复合陶瓷基体的新型材料兼具纤维与陶瓷的优点,具备高比强度、高比模量、抗氧化、耐烧蚀等优势,是下一代商用航空发动机耐热结构件的理想材料。以连续SiC纤维增韧SiC陶瓷基复合材料为代表的CMC,作为热端部件首选的复合材料,与传统的高温合金相比,其优势在于拥有更低的密度和更高的耐温能力。

金属过滤器用高性能碳化硅泡沫陶瓷的制备

介绍了一种适用于大规模工业化生产高强度金属过滤用碳化硅泡沫陶瓷的方法。采用商用SiC粉体和聚氨酯泡沫通过2次挂浆工艺可以制备出最大平均抗弯强度达到2.87 MPa,平均孔径在3 mm左右,同时具备优良的抗热震性能和高达1700℃耐火度的碳化硅泡沫陶瓷。探讨了浆料的粘度、流变性能对挂浆性能的影响及第2次挂浆对强度的增强机理,说明1次浆料的触变性能和适当固相含量的2次浆料是高强度泡沫陶瓷制备的关键,而2次挂浆工艺对强度提高的主要贡献来源于第2次浆料对1次挂浆烧结后留下空洞的有效弥补。

碳化硅泡沫陶瓷浆料成分与烧结性能

将用于制备碳化硅泡沫陶瓷的浆料烘干、制粉、干压、烧结,从而探讨浆料的成分与 烧结性能的关系.样品的抗弯强度与烧结助剂的含量之间存在最佳搭配关系,烧结对强度的贡 献主要来自于新相莫来石的生成和玻璃相对碳化硅颗粒的包覆、连接作用.同种成分的样品开 气孔率随着烧结温度的升高表现出单调下降的趋势,而抗弯强度与开气孔率的变化并没有表现 出完全相反趋势;不同成分样品的耐火度均保持在1730℃没有变化.采用最佳配方的浆料和 最佳烧结温度制备的碳化硅泡沫陶瓷抗弯强度可达到0.72MPa.

碳化硅表面改性和光学镜面加工的研究现状

为了获得满足光学应用要求的碳化硅光学镜面,通常采取碳化硅表面改性和改进光学镜面加工的方法.碳化硅表面改性的主要方式是在碳化硅表面镀致密化涂层.本文介绍了在碳化硅表面化学气相沉积碳化硅和物理气相沉积硅两种碳化硅表面改性技术,并对碳化硅光学镜面加工的研究现状进行了综述.

ZrB2-SiC超高温陶瓷涂层的抗烧蚀性能研究

为了提高C/C复合材料的抗氧化烧蚀性能,采用浆料浸涂与原位反应复合工艺在材料表面制备了ZrB2-SiC超高温陶瓷涂层,利用氧-丙烷火焰测试了涂层的抗烧蚀性能。结果表明:采用复合工艺所制备的ZrB2-SiC超高温陶瓷涂层与基材具有较高的结合强度;在氧-丙烷火焰冲刷条件下,涂层具有良好的抗烧蚀性能,涂层经1500℃下烧蚀600 s,ZrB2-SiC涂层无明显烧蚀,C/C复合材料保持完好。微观结构观察表明:烧蚀测试后,涂层中存在ZrO2和大量超高温陶瓷相,涂层抗烧蚀形式主要表现为热化学烧蚀和机械剥蚀。

碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料研究进展

超高温陶瓷(UHTCs)因在高超声速飞行器热防护领域的巨大应用前景而备受关注,而脆性大、烧结成型困难是制约UHTCs广泛应用的实质问题。将碳纤维与UHTCs复合获得碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料(Cf/UHTCs)是克服这一问题的可靠方案。近10年来,我国在Cf/UHTCs工程应用方面获得了重大突破,取得了一系列具有世界先进水平的应用成果。然而,由于Cf/UHTCs制备过程复杂,服役环境苛刻(> 2000℃,> 5 Ma气流冲刷),在结构演化、性能机理等方面仍存在一些关键科学问题亟需明确。综述了Cf/UHTCs在基体改性、氧化烧蚀机理、高温力学行为等方面的研究进展,并结合本团队的研究工作对Cf/UHTCs的研究趋势进行了总结和展望,旨在为进一步推动Cf/UHTCs的研究和发展提供参考。

C_f/SiC复合材料SiC/(ZrB_2-SiC/SiC)_4涂层的制备及性能研究

以Cf/SiC复合材料为基体,采用浆料浸涂法和脉冲CVD法制备了SiC/(ZrB2-SiC/SiC)4涂层,借助XRD、扫描电镜及能谱对涂层的结构及组成进行了分析研究,并初步考查了其高温抗氧化性能.结果表明,涂层总厚度约100μm,主要由ZrB2-SiC涂层与脉冲CVDSiC涂层交替覆盖而成.在1500℃空气中氧化25h,未涂层试样失重明显;脉冲CVDSiC涂层试样氧化失重率为5.1%;而SiC/(ZrB2-SiC/SiC)4涂层试样出现增重现象,增重率达2.5%,表现出优异的抗氧化性能.

碳/碳碳化硅复合材料的摩擦磨损行为与机理

以液相渗硅工艺为手段制备了C／C—SiC复合材料。分别采用MMW．IA与MM．1000型试验机对复合材料的摩擦磨损性能进行了研究。结果表明：在实验室条件下，当压力恒定在0．48MPa时，转速对复合材料的摩擦磨损的性能影响甚微，摩擦系数为0．15～0．16，且磨损率接近；当转速恒定在0．3m／s时，不同压力条件下的摩擦系数相近，为0．13～O．15，但磨损率存在较大差异，材料磨损以磨粒磨损为主。在近工况条件下，C／C—SiC复合材料的摩擦系数达到0．50，磨损率达到5．95mg／次，摩擦曲线表现为典型的马鞍形曲线，试验前期材料磨损主要表现为磨粒磨损，试验后期为粘着磨损。

无机盐溶胶-凝胶法制备超细ZrB2-ZrC复合粉体

利用ZrO_2-B_2O_3-C体系中碳热还原的基本原理,分别采用氧氯化锆、硼酸和酚醛树脂作为ZrO_2,B_2O_3和C的来源,利用溶胶-凝胶法制备出超细ZrB_2-ZrC复合粉体.采用热分析仪,X射线衍射和透射电镜对前驱粉体煅烧中的热力学过程,复合粉体的物相以及粒径和形貌进行了分析和表征.结果表明,ZrB_2、ZrC相在1300℃开始生成,1500℃煅烧1h后碳热还原反应基本完成.复合粉体的平均粒径在200nm左右,比表面积达87m^2g^(-1),加入1.0wt%的聚乙二醇作为分散剂时,粉体的团聚现象得到很大的改善.