▏節(jié)選自《中國材料科學(xué)2035發(fā)展戰(zhàn)略》

第三篇 無機(jī)非金屬材料學(xué)科

第十章 新型無機(jī)非金屬材料

第七節(jié)　高性能結(jié)構(gòu)材料

一、發(fā)展現(xiàn)狀

高性能結(jié)構(gòu)材料，包括C/C復(fù)合材料、超高溫陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料、超硬材料、陶瓷涂層等，是航空、航天等領(lǐng)域極端環(huán)境應(yīng)用不可或缺的戰(zhàn)略性材料。以下將詳細(xì)梳理各方向發(fā)展現(xiàn)狀。

(一) C/C復(fù)合材料

自問世以來，C/C復(fù)合材料因具有優(yōu)異的高溫性能，被歐美視為最具前景的高性能結(jié)構(gòu)材料，其制備技術(shù)至今仍被發(fā)達(dá)國家嚴(yán)密封鎖。我國經(jīng)40余年自主發(fā)展，已形成較完善的C/C復(fù)合材料研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化力量。近年來，國內(nèi)C/C復(fù)合材料的發(fā)展為先進(jìn)空天飛行器、大功率核反應(yīng)堆、光伏發(fā)電等研制與市場擴(kuò)容提供了重要保障，在國防與民用領(lǐng)域發(fā)揮了不可或缺的作用，其重要性表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1) C/C復(fù)合材料具有輕質(zhì)、耐高溫、抗燒蝕等特性，可極大提升固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)比沖、增加火箭射程、提高打擊精度，是最理想的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯、擴(kuò)張段材料。近年來，國內(nèi)自主發(fā)展了超高壓/等靜壓浸漬碳化、熱梯度化學(xué)氣相滲透(chemical vapor infiltration，CVI)、壓差化學(xué)氣相滲透、醇烴混合裂解化學(xué)氣相滲透及組合式致密化工藝等，推動(dòng)了其在國防領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。同時(shí)，C/C復(fù)合材料成本的降低有力推動(dòng)了光伏多晶硅制造熱場系統(tǒng)等民用市場的發(fā)展，貢獻(xiàn)了超過100億元/年的市場容量。

(2) 長時(shí)抗氧化/燒蝕C/C復(fù)合材料是高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)、高超聲速熱防護(hù)系統(tǒng)研制的重要候選材料。國內(nèi)創(chuàng)新發(fā)展了雙溫區(qū)化學(xué)氣相沉積、超聲速等離子噴涂、高溫原位反應(yīng)等多種長壽命抗氧化方法，形成了多相鑲嵌、納米線增韌、多層交替、梯度復(fù)合等超高溫陶瓷抗氧化涂層體系。研制的抗氧化涂層在1500～1600℃靜態(tài)空氣下抗氧化壽命達(dá)到1000小時(shí)；在1600℃燃?xì)怙L(fēng)洞沖刷環(huán)境下抗氧化壽命超過300小時(shí)。研制的長壽命抗氧化C/C復(fù)合材料已在新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)中心錐、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)襯板、唇口前緣試驗(yàn)件等多個(gè)國防重點(diǎn)項(xiàng)目中驗(yàn)證應(yīng)用。

(3) 熱解碳織構(gòu)可控沉積是制備高性能C/C復(fù)合材料的前提，也是研制航空制動(dòng)系統(tǒng)和高效散熱部件的關(guān)鍵。我國自主提出了引入氧原子消除微晶缺陷、誘導(dǎo)高織構(gòu)熱解碳形成的思路，發(fā)明了烴醇微氧化組織優(yōu)化技術(shù)，突破了傳統(tǒng)烴類沉積難以實(shí)現(xiàn)熱解碳織構(gòu)精細(xì)調(diào)控的難題，為提高國產(chǎn)C/C復(fù)合材料摩擦磨損和力學(xué)性能、提升國際競爭力提供了重要思路。

當(dāng)前C/C復(fù)合材料研究主要存在以下不足之處。

(1) 制備周期長、熱解碳沉積控制難，導(dǎo)致不同批次材料的性能波動(dòng)較大，難以建立性能預(yù)測模型。

(2) 極端環(huán)境下C/C復(fù)合材料服役過程的物理化學(xué)轉(zhuǎn)變機(jī)制不明確，在熱-力-氧耦合環(huán)境下的失效機(jī)理尚未探明。

(3) 材料服役環(huán)境考核平臺(tái)缺乏，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，難以滿足服役環(huán)境的極端性和復(fù)雜性測試要求。

(二) 超高溫陶瓷

超高溫陶瓷背后所蘊(yùn)含的重大科學(xué)問題已經(jīng)成為制約下一代高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)和空天飛行器熱防護(hù)部件、先進(jìn)核能系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)難題。一旦實(shí)現(xiàn)超高溫陶瓷在戰(zhàn)略裝備中的工程化應(yīng)用，將會(huì)顯著提升現(xiàn)有材料科學(xué)技術(shù)水平及航空航天裝備能力。以二硼化鋯(ZrB2)、二硼化鉿(HfB2)、碳化鋯(ZrC)和碳化鉿(HfC)等為代表的超高溫陶瓷由于具有極高的熔點(diǎn)和優(yōu)異的耐沖刷抗氧化燒蝕性能，能夠在2000℃以上的強(qiáng)氧化高氣流環(huán)境中長時(shí)間使用，并維持非燒蝕和結(jié)構(gòu)完整，是高超聲速飛行器鼻錐/前緣/翼舵、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的重要或首要候選材料。此外，超高溫陶瓷在第四代核反應(yīng)堆中也有廣泛的應(yīng)用前景，如惰性基體燃料、燃料包殼、熱交換器、聚變堆第一壁材料等。

我國制備的超高溫陶瓷在室溫/高溫力學(xué)性能、抗氧化燒蝕性能等方面已經(jīng)達(dá)到或超過國際上最新公開報(bào)道的數(shù)據(jù)，并通過了大量地面模擬環(huán)境考核試驗(yàn)和飛行演示驗(yàn)證試驗(yàn)。與此同時(shí)，計(jì)算材料學(xué)在超高溫陶瓷領(lǐng)域發(fā)展迅速，研究者采用第一性原理計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)、蒙特卡羅模擬、相場理論、機(jī)器學(xué)習(xí)、有限元模擬等多尺度手段預(yù)測了多種超高溫陶瓷的基本性質(zhì)、熱力學(xué)穩(wěn)定性、穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)、彈性常數(shù)，以及高溫應(yīng)力下的變形、斷裂等力-熱響應(yīng)機(jī)制。

當(dāng)前超高溫陶瓷研究主要存在以下不足之處。

(1) 超高溫陶瓷潛在的工作條件是強(qiáng)熱流、高應(yīng)力、劇烈氧化燒蝕等極端苛刻環(huán)境多場耦合的復(fù)雜工況，然而目前材料的測試環(huán)境與真實(shí)情況有較大差距，難以精準(zhǔn)指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)，如何快速、低成本獲得真實(shí)或近真實(shí)環(huán)境下材料關(guān)鍵數(shù)據(jù)是亟須解決的問題。

(2) 超高溫陶瓷研究人員與機(jī)構(gòu)比較分散，試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏系統(tǒng)性整合，計(jì)算材料學(xué)與材料高通量制備相結(jié)合的研究模式開展時(shí)間較短，尚未形成具有指導(dǎo)意義的超高溫陶瓷基因組技術(shù)體系。

(三) 陶瓷基復(fù)合材料

根據(jù)基體差異，陶瓷基復(fù)合材料大致可以分為SiC陶瓷基復(fù)合材料(C/SiC、SiC/SiC)、超高溫陶瓷基復(fù)合材料(C/HfC、C/ZrC-ZrB2等)及氧化物陶瓷基復(fù)合材料(Al2O3/Al2O3、Al2O3/Al2O3-SiO2等)。不同基體的陶瓷基復(fù)合材料特性不同，適用于不同的服役環(huán)境。與美國、日本等發(fā)達(dá)國家相比，我國陶瓷基復(fù)合材料的研究和應(yīng)用起步較晚，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

(1) SiC陶瓷基復(fù)合材料：SiC陶瓷基復(fù)合材料是目前應(yīng)用最廣泛的陶瓷基復(fù)合材料。近年來，我國在C/SiC的研發(fā)和應(yīng)用方面取得重大進(jìn)展，C/SiC空間發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、高分辨率空間相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)、制動(dòng)片等已成功應(yīng)用于空間和交通運(yùn)輸?shù)雀呖萍碱I(lǐng)域。SiC/SiC作為新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)和先進(jìn)核能包殼管的重要候選材料，是未來一段時(shí)間陶瓷基復(fù)合材料的主要發(fā)展方向。

(2) 超高溫陶瓷基復(fù)合材料：超高溫陶瓷基復(fù)合材料是繼C/SiC后高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的另一個(gè)研究熱點(diǎn)，研究主要集中在組元設(shè)計(jì)、制備工藝及抗氧化燒蝕性能和機(jī)理等方面。我國屬于最早開展超高溫陶瓷基復(fù)合材料研究的國家之一，目前在超高溫陶瓷基復(fù)合材料及構(gòu)件關(guān)鍵制造技術(shù)與環(huán)境模擬技術(shù)方面已形成特色，并在一些國家重大工程中獲得應(yīng)用。

(3) 氧化物陶瓷基復(fù)合材料：受航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件應(yīng)用需求牽引，以多孔莫來石為基體的氧化物陶瓷基復(fù)合材料日益受到重視，成為相關(guān)領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向。我國氧化物陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展總體落后，目前處于材料發(fā)展的起步階段，以基礎(chǔ)研究為主，尚未形成自有的材料設(shè)計(jì)與制備技術(shù)體系，離應(yīng)用仍有很大距離。

我國陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展主要存在以下幾個(gè)問題。

(1) 缺乏深入的基礎(chǔ)理論研究，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)涉及的基礎(chǔ)科學(xué)問題理解不深，影響材料/構(gòu)件的研發(fā)和應(yīng)用。

(2) 高性能陶瓷纖維制備技術(shù)落后，高端纖維嚴(yán)重依賴進(jìn)口，受制于人。

(四) 超硬材料

金剛石和立方氮化硼(cubic BN，cBN)是兩種典型的超硬材料。天然金剛石是在6000多年前的古印度發(fā)現(xiàn)的，直到20世紀(jì)50年代，美國科學(xué)家才利用高溫高壓技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室相繼合成了人造金剛石和cBN。隨后含黏結(jié)劑的聚晶金剛石和cBN、無黏結(jié)劑的納米晶金剛石和cBN逐步被開發(fā)出來，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，推動(dòng)了現(xiàn)代加工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。我國金剛石和cBN的研發(fā)工作起步于20世紀(jì)60年代，生產(chǎn)的金剛石和cBN單晶顆粒占到全球市場的90%以上，現(xiàn)已成為超硬材料生產(chǎn)大國。然而與發(fā)達(dá)國家相比，我國在高性能超硬材料制品與工具的研發(fā)方面尚存在較大差距。近年來，我國自主研發(fā)了納米孿晶結(jié)構(gòu)金剛石和cBN，大幅提升了兩種超硬材料的綜合性能，為發(fā)展具有中國標(biāo)簽的高性能超硬材料提供了重要的歷史機(jī)遇。此外，我國學(xué)者最新研發(fā)的非晶碳、非晶/金剛石自生復(fù)合材料、石墨—金剛石的雜交碳、類石墨—類金剛石結(jié)構(gòu)的雜交BN等新型超硬材料具有半導(dǎo)體超硬、導(dǎo)電超硬/超強(qiáng)、極硬極韌等多種功能組合，將極大地拓展超硬材料的應(yīng)用領(lǐng)域(圖1)。

圖1　超硬材料發(fā)展現(xiàn)狀與方向

當(dāng)前超硬材料研究還存在以下幾個(gè)問題。

(1) 超硬材料中顯微組織結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控及新型顯微組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)途徑一直以來都是研究難點(diǎn)。

(2) 結(jié)構(gòu)基元種類、分布、尺寸、含量及基元間的關(guān)聯(lián)對(duì)材料性能的影響還不夠清楚。

(3) 大尺寸無黏結(jié)劑超硬塊材制備的科學(xué)原理和技術(shù)還需要完善和提升。

(五) 陶瓷涂層

為發(fā)展下一代大推力和高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)及高效率燃?xì)廨啓C(jī)，需要進(jìn)一步提升渦輪/透平入口溫度，這給熱端部件的承溫能力及服役可靠性帶來巨大挑戰(zhàn)。一方面，在高溫合金葉片表面涂敷耐高溫陶瓷TBC可以顯著提升服役溫度與服役壽命。另一方面，SiC/SiC在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)猸h(huán)境中受到水氧腐蝕和低熔點(diǎn)氧化物腐蝕等侵傷造成性能迅速退化，必須在其表面涂敷EBC才能滿足實(shí)際服役的苛刻要求。國際上已經(jīng)發(fā)展了多代次的TBC及EBC材料，目前商用的陶瓷涂層可將穩(wěn)定服役溫度保持到1300℃。美國、德國、日本、韓國、中國的多個(gè)研究機(jī)構(gòu)致力于發(fā)展TBC及EBC的新材料體系設(shè)計(jì)和先進(jìn)制備技術(shù)，高效推動(dòng)了陶瓷涂層在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的實(shí)際應(yīng)用。

近年來，國內(nèi)多家科研單位開展了TBC及EBC的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，在涂層材料關(guān)鍵結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)積累及耐水氧和CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)腐蝕機(jī)制理解方面取得了一些成果。但綜合分析，陶瓷涂層仍存在以下幾個(gè)問題。

(1) 等離子噴涂用高質(zhì)量粉體原料仍受國際技術(shù)禁運(yùn)供應(yīng)限制，迫切需要解決國產(chǎn)化問題。

(2) 涂層的制備技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以跟蹤國外報(bào)道為主，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新能力較薄弱。

(3) 涂層在(近)服役環(huán)境中的評(píng)價(jià)測試和壽命預(yù)測方法尚需大量測試數(shù)據(jù)積累，陶瓷涂層產(chǎn)業(yè)尚屬于初始研發(fā)階段，離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化仍有距離。

(六) 高熵陶瓷

高熵陶瓷作為陶瓷界的新星，具有巨大的組分空間、獨(dú)特的熵效應(yīng)及性能可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，有望填補(bǔ)傳統(tǒng)陶瓷發(fā)展的某些性能不足。自2015年“氧化物高熵陶瓷”概念被首次提出后，高熵陶瓷的研究受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。目前，高熵陶瓷家族不斷發(fā)展壯大，已由各種結(jié)構(gòu)的氧化物高熵陶瓷發(fā)展到硼化物、碳化物、氮化物、硅化物等非氧化物高熵陶瓷體系，甚至擴(kuò)展到多元陰離子高熵陶瓷體系等。然而，目前高熵陶瓷的研究尚處于起步階段，大量的研究工作聚焦于概念推廣、單相材料形成能力、制備方法、粉體原料合成及基本性能等方面。與傳統(tǒng)陶瓷相比，高熵陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)異的力、熱、電、磁、抗腐蝕、抗輻照性能等，在極端環(huán)境下展示出誘人的應(yīng)用前景。

高熵陶瓷的成分復(fù)雜且研究體系龐大，這給研究帶來了巨大的挑戰(zhàn)。當(dāng)前高熵陶瓷研究主要存在以下不足。

(1) 高熵陶瓷的性能挖掘不夠充分。

(2) 高熵陶瓷的成分設(shè)計(jì)理論尚未建立，單相形成能力的判據(jù)尚未完善，成分和結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)與調(diào)控研究尚需開展。

(3) 先進(jìn)的計(jì)算、制備和表征方法與技術(shù)缺失，難以建立高熵陶瓷的組分—微結(jié)構(gòu)—性能關(guān)聯(lián)，高品質(zhì)高熵陶瓷粉體原料的合成及高性能高熵陶瓷的開發(fā)尚未實(shí)現(xiàn)。

(七) 結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷的增材制造

實(shí)際服役環(huán)境通常需求復(fù)雜異形陶瓷構(gòu)件，這給其制造帶來極大困難與挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的燒結(jié)—后加工、近凈尺寸成形—燒結(jié)等技術(shù)已難以滿足復(fù)雜異形陶瓷構(gòu)件的高效率、高精度、低成本制造需求。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)為復(fù)雜異形陶瓷構(gòu)件的制造與應(yīng)用提供了嶄新的技術(shù)途徑。同時(shí)，實(shí)際工程應(yīng)用中結(jié)構(gòu)材料正向結(jié)構(gòu)功能一體化方向發(fā)展。結(jié)構(gòu)陶瓷具有強(qiáng)度等結(jié)構(gòu)承載性能的同時(shí)，還期待兼具輕量化、防熱、隔熱、抗沖擊、電磁吸波、阻尼、零膨脹等一種或幾種功能屬性。因此，發(fā)展結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷的增材制造技術(shù)，對(duì)于拓展結(jié)構(gòu)陶瓷科學(xué)前沿、推進(jìn)實(shí)際應(yīng)用，具有重要科學(xué)意義與工程價(jià)值。

當(dāng)前結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷的增材制造研究主要存在以下不足。

(1) 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)陶瓷的設(shè)計(jì)方法已不適用，結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷的增材制造面臨復(fù)雜多物理場耦合環(huán)境，相應(yīng)設(shè)計(jì)理論與方法不具備。

(2) 大尺寸復(fù)雜異形陶瓷增材制造工藝急需發(fā)展，形狀/性能協(xié)同制造技術(shù)尚未建立，形狀/ 性能協(xié)同機(jī)理尚未揭示。

(3) 增材制造的結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷服役環(huán)境多物理場耦合復(fù)雜，表征評(píng)價(jià)方法缺乏，耦合機(jī)制與失效機(jī)理尚不明確。

二、發(fā)展態(tài)勢

目前，高性能結(jié)構(gòu)材料呈現(xiàn)如下發(fā)展態(tài)勢。

新一代空天飛行器與核能裝備急需超高溫、低燒蝕/零燒蝕、長壽命抗氧化、高導(dǎo)熱C/C復(fù)合材料。光伏電池、大飛機(jī)、高鐵的快速發(fā)展對(duì)低成本、摩擦磨損性能優(yōu)異的C/C復(fù)合材料提出規(guī)模化制備需求。強(qiáng)化C/C復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制備技術(shù)上的源頭創(chuàng)新，突破微結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定化精細(xì)控制，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)多元化、功能復(fù)合化、產(chǎn)品多樣化，是推動(dòng)該方向快速發(fā)展的關(guān)鍵。

隨著航空航天和先進(jìn)核能系統(tǒng)對(duì)超高溫陶瓷的需求日益迫切，未來將聚焦材料高通量制備與多尺度模擬相結(jié)合的研究模式，推動(dòng)材料強(qiáng)韌化—抗氧化燒蝕—防/隔熱承載一體化協(xié)同發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)超高溫陶瓷在寬溫域(1800～3000℃)、長時(shí)間粒子沖刷、強(qiáng)氧化燒蝕等極端苛刻環(huán)境中的工程化應(yīng)用。

隨著航空航天和先進(jìn)核能技術(shù)的發(fā)展，材料所處的服役環(huán)境越來越苛刻，對(duì)更長壽命、耐更高溫度和結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷基復(fù)合材料提出了新的需求。當(dāng)前，陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展的關(guān)鍵是高性能陶瓷纖維的開發(fā)和陶瓷基復(fù)合材料制備與應(yīng)用所涉及基礎(chǔ)科學(xué)問題的突破。

未來，超硬材料的基礎(chǔ)理論將更加完善，其綜合性能得到不斷優(yōu)化和提升，并涌現(xiàn)出系列具有優(yōu)異光、電學(xué)性能的新型超硬材料。大尺寸高性能超硬材料的產(chǎn)業(yè)化將帶來現(xiàn)代加工業(yè)、高壓科學(xué)研究等領(lǐng)域的重大變革。

陶瓷涂層研制方興未艾，需要建立陶瓷涂層材料及陶瓷涂層體系的關(guān)鍵力、熱和腐蝕性能數(shù)據(jù)庫，據(jù)此開展陶瓷涂層體系和結(jié)構(gòu)的高通量設(shè)計(jì)與多層次構(gòu)筑技術(shù)，指導(dǎo)其與基體構(gòu)件的匹配性設(shè)計(jì)，開展服役性能評(píng)價(jià)、失效機(jī)理及精確壽命預(yù)測等研究。

目前，高熵陶瓷的研究處于起步階段，未來將以國家重大需求為導(dǎo)向，聚焦高熵陶瓷的理論和基礎(chǔ)研究，主要包括高熵陶瓷材料設(shè)計(jì)理論和單相形成能力判據(jù)的建立、新制備方法和技術(shù)的突破、高性能高熵陶瓷體系的開發(fā)及相關(guān)機(jī)制的揭示等方面，進(jìn)而逐步推進(jìn)高熵陶瓷的應(yīng)用。

高超聲速飛行器蒙皮、翼舵、端頭等熱端部件亟須發(fā)展使用兼具輕量化、承載等結(jié)構(gòu)性能與防熱、隔熱、電磁吸波等多功能屬性的結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷；武器裝備爆炸沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)亟須發(fā)展使用兼具輕量化等結(jié)構(gòu)性能與抗沖擊、隱身等多功能屬性的結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷。突破結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷設(shè)計(jì)理論、增材制造工藝與表征評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)高性能結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)功能一體化，是推動(dòng)該方向快速發(fā)展的關(guān)鍵。

三、發(fā)展思路與發(fā)展方向

高性能結(jié)構(gòu)材料應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展以下方向。

(一) C/C復(fù)合材料

高強(qiáng)、高導(dǎo)熱等特種碳纖維的低成本制備與異形預(yù)制體編織成形技術(shù)；基于可控多尺度強(qiáng)韌結(jié)構(gòu)的高性能薄壁、尖銳C/C復(fù)合材料研究；超高溫陶瓷與基體碳前驅(qū)體轉(zhuǎn)化的普適性機(jī)理與協(xié)同作用機(jī)制研究；碳基體微結(jié)構(gòu)寬域穩(wěn)定控制與精細(xì)調(diào)控機(jī)理研究；基于多組元陶瓷相或難熔金屬相基體改性與表面涂層一體化的長壽命抗氧化/燒蝕研究；大尺寸異形構(gòu)件的整體成形與變形控制研究；基于微納功能基元的C/C復(fù)合材料多功能一體化研究(圖2)。

圖2　C/C 復(fù)合材料發(fā)展態(tài)勢與主要方向

(二) 超高溫陶瓷

系統(tǒng)性開展超高溫陶瓷篩選、組分設(shè)計(jì)優(yōu)化與性能預(yù)測工作，發(fā)展寬溫域超高溫陶瓷的制備與結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，開發(fā)高強(qiáng)韌—抗氧化燒蝕—防/ 隔熱承載等結(jié)構(gòu)功能一體化新型超高溫陶瓷，建立超高溫陶瓷基因工程；開展服役環(huán)境或近服役環(huán)境下超高溫陶瓷的失效損傷機(jī)制研究，聚焦大尺寸復(fù)雜形狀陶瓷精密部件的高效制備技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)超高溫陶瓷技術(shù)從基礎(chǔ)研究階段到工程化應(yīng)用階段的過渡。

(三) 陶瓷基復(fù)合材料

關(guān)鍵原材料(特別是高性能SiC纖維和Al2O3纖維)批量化、穩(wěn)定生產(chǎn)技術(shù)能力；航空發(fā)動(dòng)機(jī)用SiC/SiC熱端結(jié)構(gòu)材料、先進(jìn)核能用SiC/SiC包殼材料和極端服役環(huán)境用超高溫陶瓷基復(fù)合材料及構(gòu)件的低成本、規(guī)模化制造技術(shù)。

(四) 超硬材料

通過超硬材料顯微組織結(jié)構(gòu)的調(diào)控，發(fā)展納米晶、納米孿晶、非晶和自生復(fù)合等系列新型和高性能超硬材料；通過合成工藝優(yōu)化，發(fā)展厘米級(jí)無黏結(jié)劑超硬塊材的制備技術(shù)，催生高性能超硬材料新興產(chǎn)業(yè)；通過激光成形和熱化學(xué)拋光技術(shù)，發(fā)展原創(chuàng)的先進(jìn)工具及變革性加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其在功能晶體、有色金屬、高硬度陶瓷等切削加工中的應(yīng)用；研發(fā)新型超硬材料對(duì)頂砧，突破靜高壓研究的技術(shù)瓶頸，將人類在高壓下探索新材料、新現(xiàn)象、新效應(yīng)和新反應(yīng)的壓力條件推至500吉帕以上。

(五) 陶瓷涂層

復(fù)雜成分與多相涂層的成分及多層次結(jié)構(gòu)高通量設(shè)計(jì)；熱障/環(huán)境障一體化構(gòu)筑設(shè)計(jì)；電磁波和紅外發(fā)射調(diào)制功能設(shè)計(jì)；涂層結(jié)構(gòu)與性能的多尺度模擬技術(shù)和壽命預(yù)測方法；陶瓷涂層模擬力、熱、化耦合服役環(huán)境性能測試平臺(tái)；陶瓷涂層數(shù)據(jù)庫和材料信息學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

(六) 高熵陶瓷

高熵陶瓷的設(shè)計(jì)依據(jù)或理論判據(jù)研究；高純、超細(xì)、成分均勻等高品質(zhì)粉體的開發(fā)與低成本制備技術(shù)；高性能高熵陶瓷的成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)控及性能提升機(jī)理研究；基于高熵陶瓷概念拓展的高熵陶瓷涂層、高熵陶瓷纖維、高熵陶瓷基復(fù)合材料等新型高熵陶瓷研究；基于成分與結(jié)構(gòu)基元的高熵陶瓷多功能一體化研究。

(七) 基于增材制造的結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷

基于增材制造的結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)理論研究；適用于增材制造的專用結(jié)構(gòu)陶瓷原料制備方法研究；陶瓷高效精密智能化增材制造裝備研發(fā)；大尺寸復(fù)雜異形陶瓷形狀/性能協(xié)同增材制造工藝研究；增材制造陶瓷的致密化與強(qiáng)韌化機(jī)理研究；結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷多物理場耦合機(jī)制與表征評(píng)價(jià)方法研究。

四、至2035年預(yù)期的重大突破與挑戰(zhàn)

到2035年，高性能結(jié)構(gòu)材料有望在以下幾個(gè)方面獲得突破。

(1) 重點(diǎn)突破1700℃以上長壽命抗氧化與2000～2300℃長時(shí)抗燒蝕C/C復(fù)合材料制備技術(shù)，滿足航空航天、核能等領(lǐng)域國家重大工程對(duì)關(guān)鍵熱結(jié)構(gòu)材料的需求，同時(shí)發(fā)展高導(dǎo)熱、穩(wěn)態(tài)摩擦磨損等高品質(zhì)C/C復(fù)合材料低成本制備技術(shù)，滿足光伏電池、高鐵等民品市場應(yīng)用。

(2) 發(fā)展超高溫陶瓷多尺度、多維度、原位強(qiáng)韌化—寬溫域下結(jié)構(gòu)功能一體化的協(xié)同設(shè)計(jì)依據(jù)與調(diào)控機(jī)制，突破極端溫度、極端氣氛、極端速度/載荷、極端輻照、特種腐蝕環(huán)境等多物理場交叉耦合條件下材料優(yōu)化設(shè)計(jì)、組織性能調(diào)控、使役性能協(xié)同與損傷機(jī)理研究，顛覆現(xiàn)有超高溫陶瓷合成制備技術(shù)和極端環(huán)境服役極限。

(3) 突破關(guān)鍵原材料（高性能SiC纖維和Al2O3纖維）、陶瓷基復(fù)合材料及其構(gòu)件制備核心技術(shù)瓶頸，研制滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)、先進(jìn)核能和新型飛行器等領(lǐng)域應(yīng)用需求的關(guān)鍵陶瓷基復(fù)合材料及構(gòu)件。

(4) 突破已建立的超硬材料力學(xué)傳統(tǒng)理論，發(fā)現(xiàn)逼近材料性能上限的變革性技術(shù)原理和途徑，不斷刷新共價(jià)材料硬度、韌性的紀(jì)錄，同時(shí)發(fā)展導(dǎo)電超強(qiáng)、半導(dǎo)體超硬等新型超硬材料，極大地推動(dòng)材料科學(xué)、高壓物理學(xué)、地球科學(xué)、壓縮科學(xué)及行星科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。

(5) 突破陶瓷涂層的高通量設(shè)計(jì)和多層次構(gòu)筑制備核心技術(shù)，滿足新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)中多類熱端部件的高溫防護(hù)需求。

(6) 突破高強(qiáng)韌、耐蝕、抗輻照的高熵陶瓷關(guān)鍵科學(xué)問題，研制滿足航空航天、核能等領(lǐng)域國家重大工程需求的關(guān)鍵高性能結(jié)構(gòu)材料與裝備，發(fā)展用于微電子、生物醫(yī)學(xué)等結(jié)構(gòu)功能一體化的高熵陶瓷及低成本和復(fù)雜構(gòu)件制備方法。

(7) 突破基于增材制造的結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷設(shè)計(jì)原理與方法，滿足航空航天、兵器等領(lǐng)域重大工程對(duì)結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷的需求。