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《Mater Des》：1500℃長壽命！二硅化鉬材料高溫抗氧化研究新進展

2024-11-08 13:39:24 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

航空航天工業的快速發展對結構材料的性能要求越來越高，優秀的高溫結構材料必須具備優異的抗氧化性、良好的化學穩定性和高強度以承受極端環境的沖擊。MoSi₂因其具有適中的密度、低熱膨脹系數被認為是理想的高溫結構材料以應用于噴氣發動機和燃氣輪機的高溫部件。但是MoSi₂在高溫環境下表面形成的SiO₂膜相對脆弱，易受熱應力作用而導致氧化層局部損傷，從而使更多的 MoSi₂相裸露在空氣中，造成其壽命的大幅縮減。因此，迫切需要對單一MoSi₂材料進行改進以防止其斷裂，并延長其在高溫含氧環境下的使用壽命。

圖1. 渦輪噴氣發動機

此外，目前MoSi₂基復合材料的制備方法主要局限于機械合金化、熔鹽法、碳熱還原法等，此類方法不僅能耗巨大，而且需要較長的制備時間。自蔓延高溫合成 (SHS) 技術是一種利用反應物之間高的化學反應熱的自加熱和自傳導作用來合成材料的技術，相比于傳統方法具有合成時間短，成本低、產物純度高等優勢。此外，放電等離子燒結（SPS）技術作為近年來剛發展的新技術，具有升溫速率快、燒結時間短、成分和厚度可控等優點，可以實現陶瓷的快速致密化。

圖2. MoSi₂基材料

為了合成具有優異抗氧化性能的MoSi₂基材料，實現其在高溫結構領域的應用，來自中國礦業大學、香港理工大學、俄羅斯莫斯科國立科技大學（MISIS）以及河南省科學院碳基復合材料研究所的研究人員采用新穎的SHS和SPS兩步法快速制備了具有優異高溫抗氧化性能的Al合金化MoSi₂材料。結果表明， SHS工藝促進了合金粉末中高純度MoSi₂和Mo(Si,Al)₂相的生成，而隨后利用SPS 技術制備了致密且無裂紋的MoSi₂和Mo(Al,Si)₂材料。高溫氧化后 MoSi₂材料表面形成了保護性的SiO₂氧化層，而Mo(Si,Al)₂材料上形成了Al-Si-O 復合玻璃氧化物層，表現出更好的熱穩定性和更低的氧氣滲透性。然而，過高含量的Al會降低抗氧化性能，這是因為Si的高溫擴散會導致Mo₅(Si,Al)₃貧硅層的出現，從而導致抗氧化性能的惡化。

該研究發表在國際著名期刊Materials & Design上，題為“Microstructural evolution and 1500 °C oxidation resistance of Mo(Al,Si)₂ fabricated via an innovative two-step SHS-SPS technique”。中國礦業大學朱娜娜和香港理工大學朱路博士為共同第一作者，中國礦業大學張保敬副教授、馮培忠教授和王曉虹副教授為共同通訊作者。