高性能航空發(fā)動機的熱端部件需滿足長壽命、寬溫域抗氧化、抗沖刷和抗疲勞振動等性能要求；而高超聲速航天飛行器的熱防護系統(tǒng)在服役過程中則需要承受嚴重的燒蝕、高速氣流強沖刷和大梯度熱沖擊等。以石墨、碳/碳（C/C）復(fù)合材料為代表的碳基復(fù)合材料高溫氧化敏感性高、抗燒蝕能力不足，嚴重制約其作為熱結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。涂層技術(shù)是提高C/C復(fù)合材料抗氧化/燒蝕性能的有效手段。目前研究較為廣泛的SiC涂層，因氧化后形成的SiO₂氧化層在溫度高于1773 K時易揮發(fā)，高溫長時間使用時會在氧化層中形成孔洞，從而導(dǎo)致涂層失效，應(yīng)用嚴重受限。引入超高溫陶瓷可有效改善SiC基陶瓷涂層的抗氧化/燒蝕性能。

超高溫陶瓷良好的抗氧化性能主要歸因于氧化后形成的具有良好熱穩(wěn)定性以及低氧滲透率的氧化物防護層。多組元尤其是高熵陶瓷因其氧化后可生成多種氧化物，不同氧化物表現(xiàn)出不同的特征，相比單組元超高溫陶瓷表現(xiàn)出更好的氧化防護性能。多組元及高熵陶瓷改性涂層在面向極端高溫環(huán)境使役材料熱防護方面具有極大的應(yīng)用前景。Cheng和Xie等研究了九種過渡金屬的超高溫陶瓷氧化物（TM_xO_y，TM=Ti、Cr、Mo、Zr、Nb、Hf、W、V、Ta）對SiO₂玻璃在1973 K下穩(wěn)定性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，V₂O₅、MoO₃、WO₃、Nb₂O₅和Ta₂O₅對SiO₂的揮發(fā)影響較小；Cr₂O₃可促進SiO₂結(jié)晶，進而抑制SiO₂揮發(fā)；ZrO₂、TiO₂和HfO₂有利于緩解SiO₂玻璃的揮發(fā)，因為Ti、Zr和Hf在高溫條件中會擴散進入SiO₂晶格中，提高Si-O鍵強度，進而降低SiO₂的揮發(fā)量。

基于上述研究背景，西北工業(yè)大學(xué)陜西省纖維增強輕質(zhì)復(fù)合材料重點實驗室付前剛教授團隊首先利用硼/碳熱還原反應(yīng)法在不同溫度下制備高熵(Hf_0.25Zr_0.25Ti_0.25Cr_0.25)B₂（記為HZTCB₂）陶瓷，并結(jié)合熱力學(xué)計算，研究HZTCB₂陶瓷的合成可能性及其形成機制。然后，通過組分調(diào)控，采用漿料涂覆結(jié)合氣相滲硅法在C/C復(fù)合材料表面原位反應(yīng)制備HZTCB₂改性SiC-Si（記為SiC-HZTCB₂-Si）涂層，考察SiC-HZTCB₂-Si涂層在1973 K以上的超高溫抗氧化性能。依據(jù)熱力學(xué)計算結(jié)果，深入闡釋相應(yīng)的氧化和燒蝕機理。通過引入HZTCB₂陶瓷，利用HZTCB₂陶瓷改性涂層能夠在氧化過程中形成足量具有低氧擴散、滲透率且穩(wěn)定的多組元復(fù)合氧化物的特點，可顯著改善傳統(tǒng)的超高溫陶瓷改性SiC涂層在高溫環(huán)境下穩(wěn)定性差、抗氧化/燒蝕性能不足等問題，進而實現(xiàn)涂層在更高溫度極端復(fù)雜環(huán)境下的服役要求。

相關(guān)研究結(jié)果分別以“Multicomponent (Hf_0.25Zr_0.25Ti_0.25Cr_0.25)B₂ ceramic modified SiC–Si composite coatings: In-situ synthesis and high-temperature oxidation behavior”與“High-entropy (Hf_0.25Zr_0.25Ti_0.25Cr_0.25)B₂ ceramic incorporated SiC-Si composite coating to protect C/C composites against ablation above 2400 K ”發(fā)表在陶瓷領(lǐng)域頂刊《Ceramics International》上。

超高溫陶瓷（UHTCs）改性SiC基涂層的組成、制備方法、微觀結(jié)構(gòu)及熱防護應(yīng)用示意圖[ D. Ni, Y. Cheng, J. Zhang, et al. Advances in ultra-high-temperature ceramics, composites, and coatings[J]. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(1): 1-56.]

論文鏈接1：

Pei Zhang, Chunyu Cheng*, Bing Liu, Wei Xie, Xiaofei Zhu, Jiaping Zhang, Qiangang Fu*. Multicomponent (Hf_0.25Zr_0.25Ti_0.25Cr_0.25)B₂ ceramic modified SiC–Si composite coatings: In-situ synthesis and high-temperature oxidation behavior. Ceramics International, 2022, 48(9): 12608-12624.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884222001407?via%3Dihub

論文鏈接2：

Pei Zhang, Chunyu Cheng, Min Xu, Bing Liu, Xiaofei Zhu, Qiangang Fu*. High-entropy (Hf_0.25Zr_0.25Ti_0.25Cr_0.25)B₂ ceramic incorporated SiC-Si composite coating to protect C/C composites against ablation above 2400 K. Ceramics International, 2022, 48(18): 27106-27119.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884222020144

核心圖文解析：

圖3 氧-乙炔燒蝕測試設(shè)備裝置示意圖

圖8 HZTCB2晶粒典型透射電鏡 (TEM) 結(jié)果：(a) 明視場TEM (BF-TEM) 和 (b) 高分辨率TEM (HR-TEM) 照片，(c) 為 (a) 中框定區(qū)的選區(qū)電子衍射 (SAED)，(d) 為高角度環(huán)形暗場TEM (HAADF-TEM) 照片，(e~i) 為TEM-EDS面掃結(jié)果

圖10 SC-(HZTC-BC-G)-PRC預(yù)涂層的微觀結(jié)構(gòu)

(a) 表面和 (b) 橫截面BSE照片，(c) 為 (b) 中A區(qū)的放大照片

圖12 SiC-HZTCB2-Si涂層的微觀結(jié)構(gòu)：（a）表面和（b）截面BSE照片，以及對應(yīng)的EDS元素分布分析

圖16 SiC-HZTCB2-Si涂層在靜態(tài)空氣中1973 K下氧化205 h后表面微觀結(jié)構(gòu)和物相元素分布：(a, b) BSE與SE照片，(c) EDS譜圖

圖17 SiC-HZTCB2-Si涂層在1973 K靜態(tài)空氣中氧化205 h后橫截面微觀結(jié)構(gòu)和物相元素分布：(a, b) BSE與SE照片，(c) 為 (a) 中框選區(qū)的放大和EDS譜圖

圖18 SiC-HZTCB2-Si涂層試樣的抗燒蝕性能：(a) 蝕過程中表面溫度隨時間變化關(guān)系圖（插圖表示燒蝕過程錄像截圖），以及 (b) 燒蝕前和 (c) 燒蝕后涂層試樣表面宏觀照片

圖22 SiC-HZTCB2-Si涂層試樣燒蝕后表面BSE與SE照片：(a，b) 邊緣區(qū)，(c，d) 過渡區(qū)和 (e，f) 中心區(qū)

圖25 SiC-HZTCB2-Si涂層1973 K氧化過程示意圖：(a) 氧化測試前,（a→d）氧化測試期間和 (d) 氧化測試之后

圖27 SiC-HZTCB2-Si涂層燒蝕過程示意圖: 燒蝕測試 (a) 之前,（b）期間和 (c) 之后