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西工大《JMST》綜述：極端高溫環境用微/納米多尺度強韌化材料

2021-06-09 16:26:56 作者：材料科學與工程來源：JMST 分享至：

引言：該綜述基于西北工業大學李賀軍院士和付前剛教授纖維增強輕質復合材料團隊十多年的研究工作成果，以及相關課題組和研究單位的工作成果匯總而成。全文綜合大圖39幅，表格13個，參考文獻243條，總計21000余字。

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第一作者：付前剛張佩

通訊作者：付前剛李賀軍

通訊單位：西北工業大學、凝固技術國家重點實驗室、陜西省纖維增強輕質復合材料重點實驗室

DOI：10.1016/j.jmst.2021.03.076

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030221004527

Q.G. Fu, P. Zhang, L. Zhuang, L. Zhou, J.P. Zhang, J. Wang, X.H. Hou, R. Riedel, H.J. Li, Micro/nano multiscale reinforcing strategies toward extreme high-temperature applications: Take carbon/carbon composites and their coatings as the examples. J. Mater. Sci. Technolo. （2021） doi: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.03.076

背景介紹 VS. 全文速覽

碳纖維增強碳基復合材料（C/C）由于其優異的性能，在航空航天和核能領域有著廣泛的應用前景。然而，C/C非常容易氧化失效。硅基及其超高溫陶瓷（UHTC）基體改性與涂層技術雖然能有效地提高C/C的抗氧化/抗燒蝕性能，但由于陶瓷固有的脆性、涂層與C/C基體的不匹配等問題，難以滿足越來越嚴苛的實際應用需求。為有效地解決上述問題，近二十年來，人們針對C/C基體及其涂層提出了微/納米多尺度增強新思路，以制備兼具高強度和優異高溫穩定性的碳基復合材料。本文系統地綜述了納米顆粒、納米線、碳納米管/纖維、晶須、石墨烯、陶瓷纖維和雜化微/納米結構等微/納多尺度強韌化研究的最新進展，以期實現長時有效耐超高溫氧化/燒蝕的碳基復合材料。最后，對研發具有優異綜合熱機械性能的碳基復合材料的面臨的主要問題、挑戰和未來的研究方向進行了展望。希望這篇綜述能夠引起相關領域的廣泛關注，共同推進學科與產業的優效發展。

本文亮點

本文綜述了近年來主要的單一及雜化微/納米多尺度增韌C/C及其涂層的研究進展。

微/納多尺度增強體，特別是陶瓷納米線、晶須和碳納米管應用于C/C或涂層中，可以通過減少裂紋的數量和尺寸，防止裂紋的擴展，提高涂層和C/C基體的韌性，從而大大改善其抗氧化性、熱沖擊性和韌性，在不降低致密性的前提下，提高了C/C的抗燒蝕性能。

微/納多尺度顯示出有效的增強、增韌效果，值得進一步研究，預示其針對在極端惡劣環境下應用的高技術發展方面具有廣闊的前景和潛力。

本文對具有優異綜合熱機械性能的碳基復合材料研發面臨的主要問題、挑戰和相應可能的解決方案進行了總結與展望。

圖文解析

圖 1. 極端高溫環境用材料及其相關環境概覽

圖 2. 復合材料極端環境領域中應用實例

圖 3 復合材料實驗室高溫氧化（a）和燒蝕（b）試驗，以及風洞沖蝕試驗（模擬真實的使用環境）（c）（相應的試驗裝置圖見（d））

圖 4. （a）復合材料普適防護方法（包括（1）基體改性和（2）高溫防護涂層），（b）有望應用于極端高溫環境（例如高溫氧化，更劇烈的熱沖擊，燃燒氣體燃燒引起的燒蝕和腐蝕）用碳碳復合材料的微/納米多尺度增強體。其中紅色箭頭表示增強碳碳復合材料，黑色箭頭表示增韌涂層

圖 13. SiCNW及其增韌涂層試樣微結構，以及相關增韌機理

圖 16. 熱處理溫度對SiCNWs形貌的影響

圖 17. SiCNW@PyC結構的透射電子顯微鏡（TEM）形貌

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圖 18. C/C-ZrB2-ZrC-SiC基材上SiCNW@PyC核殼結構增韌SAPS-ZrB2-ZrC涂層制備示意圖（左），SiCNW@PyC核殼結構SEM/TEM形貌（右）

圖 25. （a）燒蝕裝置示意圖、（b）燒蝕過程中材料表面溫度隨燒蝕時間的變化、（c）利用Ansys Fluent軟件模擬的燒蝕過程的熱流場和（d）速度場對C/C表面不同區域形貌的影響

圖 26. C/C燒蝕行為與EPD時間（min）的關系：（a）燒蝕表面宏觀形貌、（b）樣品的線性燒蝕率和質量燒蝕率、（c）燒蝕樣品厚度變化圖和（d）燒蝕過程橫截面變化示意圖

圖 28. 含原位生長SiCNW的短纖維增強碳基復合材料制備（a, b）、形貌（c）及其彎曲試驗的應力-應變曲線（d）

圖 32. SiCNWs@PyC-C/C–ZrC–SiC（A）和HfCNWs-C/C（B）復合材料制備工藝示意圖

圖 34. 高桂氧纖維鋪層結構及其增強復合材料形貌

圖 35. 混合熱防護材料（TPM）的幾何結構及配置

圖 38. SiCNWs增強CBCF復合材料的斷裂行為

總結與展望

論文系統評述了微/納多尺度強韌化極端苛刻環境用耐高溫氧化/抗燒蝕復合材料（包括基體和涂層）最新重要進展，并對其強韌化機理和效果進行了著重論述。所述微/納多尺度強韌化材料包括納米顆粒（NPs），納米線（NWs），碳納米管/碳納米纖維（CNT/CNFs），晶須，石墨烯，陶瓷纖維和混雜微/納米結構等。最后，本綜述總結了部分尚未有效解決的主要問題，需要應對的挑戰以及針對具有優異綜合熱-機械性能的極端苛刻環境用耐高溫氧化/抗燒蝕復合材料提出了一些未來的研究建議。

如何開發具有優異力-熱綜合性能（高強韌的抗氧化、抗燒蝕、耐磨蝕、耐沖刷）的復合材料？

如何制備可在寬溫域范圍內穩定應用的自愈合、抗氧化/抗燒蝕、可重復使用復合材料？

如何制備面向極端高溫環境應用的大尺寸異形復合材料結構件？

作者學術ID

Qiangang Fu: https://orcid.org/0000-0002-9293-5190

Pei Zhang: https://orcid.org/0000-0002-8293-1866

Lei Zhuang: https://orcid.org/0000-0003-0277-4192

Lei Zhou:Scopus Author ID: 56502632900

Jiaping Zhang: Scopus Author ID: 55808800900

Jie Wang: Scopus Author ID: 57200026870

Xianghui Hou: https://orcid.org/0000-0002-8686-4621

Ralf Riedel: https://orcid.org/0000-0001-6888-7208

Hejun Li: https://orcid.org/0000-0002-9456-1874

課題組介紹

付前剛，教授，西北工業大學材料學院黨委書記，陜西省纖維增強輕質復合材料主任，陜西省高性能長壽命陶瓷涂層創新團隊負責人，陜西省碳/碳復合材料工程中心副主任。兼任中國復合材料常務理事，中國材料研究學會理事，中國材料研究學會青年工作委員會理事，中國硅酸鹽學會測試技術分會理事，中國金屬學會炭素材料分會委員，中國復合材料學會空天動力復合材料及應用專委會委員；主要從事抗氧化抗燒蝕碳/碳復合材料研究，主持國家自然基金（5項）、國防基礎科研等10余項課題。在Adv. Mater., Carbon, J. Eur. Ceram. Soc., Corros. Sci. 等期刊發表SCI收錄論文300余篇。授權專利43項。2012年入選首批基金委優青，2013年入選首批中組部萬人計劃-青拔，2017年入選第三批萬人計劃-科技創新領軍人才，教育部新世紀優秀人才、首批陜西省青年科技新星，博士論文入選全國百篇優博。擔任《J. Mater. Sci. Technol.》、《中國科學：技術科學》、《無機材料學報》等五種期刊編委。以第二完成人獲國家自然科學二等獎、教育部技術發明一等獎和陜西省科學技術一等獎，獲國防科技創新團隊獎和陜西省青年科技獎。

張佩，男，2013年和2016年先后于西安科技大學獲學士學位和碩士學位。現為西北工業大學付前剛教授課題組博士生。主要從事超高溫輕質結構復合材料及其涂層防護方面的研究工作；近年來參與陜西省科技工業攻關項目、國家自然科學基金面上項目（第三、第六參與人）、國家自然科學基金群體項目等多項課題；發表SCI、EI收錄論文10余篇（J. Eur. Ceram. Soc., J. Mater. Sci. Technol., Surf. Coat. Tech., Corros. Sci., Ceram. Inter., Adv Appli. Ceram.、Wear、Compos. Part B: Eng.、中國稀土學報（英文版）、稀有金屬材料與硬質合金、中國有色金屬學報、熱加工工工藝等國內外學術期刊）；申報發明專利2項，已獲授權1項。先后為Mater. Lett.、Carbon、Corros. Sci.等期刊審稿。兼任中國硅酸鹽學會會員（E414000002S ），中國金屬學會炭素材料分會會員（E312600773A），中國復合材料學會會員（E63090113）等。曾獲武漢理工大學“第九屆高校材料科學與工程學科研究生論壇”優秀報告獎（2019年11月）、湖南省“高性能材料設計與制備”研究生創新論壇的優秀論文獎（2020年10月）和“IFAM2020新材料國際發展趨勢高層論壇”優秀POSTER獎（2020年11月）。

李賀軍，院士，材料領域專家，杰青，亞太材料科學院院士，材料學院教授，博導。1991年獲哈爾濱工業大學塑性加工專業博士學位。2004年起任超高溫結構復合材料重點實驗室副主任。長期從事碳/碳復合材料、抗氧化/燒蝕涂層、碳纖維增強紙基與金屬基復合材料等研究工作。獲國家自然科學二等獎1項，國家技術發明二等獎2項，國家教學成果一等獎1項、二等獎1項，省部級一等獎6項，獲日本復合材料學會Hayashi Memorial 國際獎和中國炭素杰出成就獎。獲授權發明專利155件，出版專著和教材3部。獲全國模范教師、首屆全國“最美科技工作者”，陜西省教書育人楷模等榮譽。

關鍵參考文獻

[1] S.J. Park, Carbon/carbon composites, Springer Series in Materials Science, 210 （2018） 292.

[2] C.V. Kumar, B. Kandasubramanian, Advances in Ablative Composites of Carbon Based Materials, A Review, Ind. Eng. Chem. Res. 58 （2019） 22663-701.

[3] X. Jin , X. Fan , C. Lu, et al., Advances in oxidation and ablation resistance of high and ultra-high temperature ceramics modified or coated carbon/carbon composites, J. Eur. Ceram. Soc. 38（2018） 1-28.

[4] Q.G. Fu , H.J. Li , X.H. Shi, K.Z. Li , G.D.Sun, Silicon carbide coating to protect carbon/carbon composites against oxidation, Scr. Mater. 52 （2005） 923-927.

[5] N.N. Yan, X.H. Shi, K. Li, Q.G. Fu, W. Xie, H.R. Zhang, Q. Song, In-situ homogeneous growth of ZrC nanowires on carbon cloth and their effects on flexural properties of carbon/carbon composites, Compos. Part B-Eng.154 （2018） 200-208.

[6] P. Zhang, Q.G. Fu, D. Hu, C.Y. Cheng, X.F. Zhu, Oxidation behavior of SiC-HfB2-Si coating on C/C composites prepared by slurry dipping combined with gaseous Si infiltration, Surf. Coat. Tech. 385（2020）125335. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125335

[7] Q.G. Fu, Y.G.Wang, Oxidation Protective Coatings for Ultrahigh Temperature Composites. Ceramic Matrix Composites: Materials, Modeling and Technology, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc, 2014, pp. 452-464.

[8] A.Z. Cai, L.J. Guo, C.H.Ma, H.J.Li, Research advances of high-temperature oxidation resistant ceramic coatings for carbon/carbon composites, Carbon Tech. 34 （2015） 1-5.

[9] Q.C. He, H.J. Li, X.M. Yin, C.C. Wang, J.H.Lu, Microstructure, mechanical and anti-ablation properties of SiCnw/PyC core-shell networks reinforced C/C-ZrC-SiC composites fabricated by a multistep method of chemical liquid-vapor deposition, Ceram. Inter. 45 （2019） 20414-20426. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.07.018.

[10] H.J. Li, Q.G. Fu, X.H. Shi, K.Z. Li, Z.B.Hu, SiC whisker-toughened SiC oxidation protective coating for carbon/carbon composites, Carbon 44 （2006） 602-605.

[11] L.Wang, Q. Fu, F. Zhao, Improving oxidation resistance of MoSi2 coating by reinforced with Al2O3 whiskers. Intermetallics 94 （2018） 106-113.

[12] H.J. Li, Y.L. Zhang, Q.G. Fu, K.Z. Li, J. Wei, D.S.Hou. Oxidation behavior of SiC nanoparticle-SiC oxidation protective coating for carbon/carbon composites at 1773 K, Carbon 45（2007） 2704-2707.

[13] S.L. Wang, K.Z.Li, H.J. Li, Y.L.Zhang, Microstructure and ablation resistance of ZrC nanostructured coating for carbon/carbon composites, Mater. Lett. 107 （2013） 99-102.

[14] Y. Chu, H.J. Li, Q.G. Fu, L.H. Qi, Z.W. Xu, X. Zou, Toughening by SiC Nanowires in a Dense SiC-Si Ceramic Coating for Oxidation Protection of C/C Composites, J. Am. Ceram. Soc. 95 （2012）3691-3697.

[15] Q.G. Fu, B.Y. Tan, L. Zhuang, J.Y. Jing, Significant improvement of mechanical properties of carbon/carbon composites by in situ growth of SiC nanowires, Mat. Sci. Eng. A 672 （2016）121-128.

[16] Q. Song , L. Zhuang , Q.G. Fu, Nanotube/Nanowire-Toughened Carbon/Carbon Composites and Their Coatings, Nanomaterials in Rocket Propulsion Systems: Elsevier, 2019. pp. 495-528.

[17] Q.G. Fu , H.J. Li , X.H. Shi , K.Z. Li, J. Wei, Z.B.Hu, Synthesis of silicon carbide nanowires by CVD without using a metallic catalyst, Mater. Chem. Phys. 100 （2006）108-111.

[18] Q.G. Fu, H.J. Li, Z.Z. Zhang, X.R. Zeng, K.Z. Li, SiC nanowire-toughened MoSi2-SiC coating to protect carbon/carbon composites against oxidation, Corros. Sci. 52 （2010）1879-1882.

[19] X.F. Qiang , H.J. Li, Y.L.Zhang, D.J. Yao, L.J. Guo, J. Wei, Fabrication and thermal shock resistance of in situ SiC nanowire-SiC/SiC coating for carbon/carbon composites, Corros. Sci. 599 （2012） 343-347.

[20] L.L. Zhang , H.J.Li, K.Z.Li, S.Y. Zhang, Q.G.Fu, Y.L. Zhang, J.H. Lu, W. Li, Preparation and characterization of carbon/SiC nanowire/Na-doped carbonated hydroxyapatite multilayer coating for carbon/carbon composites, Appl. Surf. Sci. 313 （2014） 85-92.

[21] X.F. Qiang, H.J. Li, Y.F. Liu, N. Zhang, N. Li, S.Tian, Y.Cong, Oxidation and erosion resistance of multi-layer SiC nanowires reinforced SiC coating prepared by CVD on C/C composites in static and aerodynamic oxidation environments, Ceram. Inter. 44 （2018）16227-16236.

[22] H.J. Li , X. Yang , Y.H. Chu , L. Lu , Q.G. Fu , L.H. Qi, Oxidation protection of C/C composites with in situ bamboo-shaped SiC nanowire-toughened Si-Cr coating, Corros. Sci. 74 （2013） 419-423.

[23] Q.G. Fu, J.Y. Jing, B.Y. Tan, R.M. Yuan, L. Zhuang, L. Li, Nanowire-toughened transition layer to improve the oxidation resistance of SiC-MoSi2-ZrB2 coating for C/C composites, Corros. Sci. 111 （2016）259-266.

[24] C.Y. Cheng , H.J. Li , Q.G. Fu , L. Li , L.P. Guo, X.M. Yin, X.F.TIan, Effects of pyrocarbon on morphology stability of SiC nanowires at high temperatures, J. Am. Ceram. Soc. 101 （2018） 3694-3702.

[25] L. Zhuang, Q.G. Fu, X. Yu, Improved thermal shock resistance of SiCnw/PyC core-shell structure-toughened CVD-SiC coating, J. Eur. Ceram. Soc. 38 （2018） 2808-2814.

[26] L. Zhuang, Q.G. Fu, H.J. Li, SiCnw/PyC core-shell networks to improve the bonding strength and oxyacetylene ablation resistance of ZrB2-ZrC coating for C/C-ZrB2-ZrC-SiC composites, Carbon 124 （2017） 675-684.

[27] L. Zhuang, Q.G. Fu, W.H. Ma, Y.Y. Zhang, N.N. Yan, Q. Song, Q. Zhang, Oxidation protection of C/C composites: Coating development with thermally stable SiC@PyC nanowires and an interlocking TaB2-SiC structure, Corros. Sci. 148 （2019） 307-316.

[28] X.M. Yin, H.J. Li, Y.Q. Fu, R.M. Yuan, J.H. Lu, Hierarchical core-shell structure of NiCo2O4 nanosheets@HfC nanowires networks for high performance flexible solid-state hybrid supercapacitor, Chem. Eng. J. 392 （2020）124820. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.124820

[29] Y.L. Zhang, J.C. Ren, S. Tian, H.J. Li, X.R. Ren, Z.X. Hu, HfC nanowire-toughened TaSi2-TaC-SiC-Si multiphase coating for C/C composites against oxidation, Corros. Sci. 290 （2015）554-561.

[30] J.C. Ren, Y.L. Zhang, H. Hu, T. Fei , H.J. Li, Oxidation resistance and mechanical properties of HfC nanowire-toughened ultra-high temperature ceramic coating for SiC-coated C/C composites, Appl. Surf. Sci. 360 （2016;） 970-978.

[31] Q.L. Shen, H.J. Li, F.L. Zhao, S. Qiang, Q.G.Fu, Electrophoretic deposition of carbon nanotubes for improved ablation resistance of carbon/carbon composites, Corros. Sci. 132 （2018） 204-213.

[32] W.Y. Wang, Q.G.Fu, B.Y. Tan. Effect of in-situ grown SiC nanowires on the mechanical properties of HfC-ZrB2-SiC modified C/C composites, J. Alloys Compd. 726 （2017） 866-874.

[33] Y.Y. Li, L.J. Guo, Y.W. Wang, H.J. Li, Q. Song, A Novel Multiscale Reinforcement by In-Situ Growing Carbon Nanotubes on Graphene Oxide Grafted Carbon Fibers and Its Reinforced Carbon/Carbon Composites with Improved Tensile Properties. J .Mater. Sci. Technol. 32 （2016） 419-424.

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