西工大《JMST》综述：极端高温环境用微/纳米多尺度强韧化材料

2021-06-09 16:26:56 作者：材料科学与工程来源：JMST 分享至：

引言：该综述基于西北工业大学李贺军院士和付前刚教授纤维增强轻质复合材料团队十多年的研究工作成果，以及相关课题组和研究单位的工作成果汇总而成。全文综合大图39幅，表格13个，参考文献243条，总计21000余字。

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第一作者：付前刚张佩

通讯作者：付前刚李贺军

通讯单位：西北工业大学、凝固技术国家重点实验室、陕西省纤维增强轻质复合材料重点实验室

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

背景介绍 VS. 全文速览

碳纤维增强碳基复合材料（C/C）由于其优异的性能，在航空航天和核能领域有着广泛的应用前景。然而，C/C非常容易氧化失效。硅基及其超高温陶瓷（UHTC）基体改性与涂层技术虽然能有效地提高C/C的抗氧化/抗烧蚀性能，但由于陶瓷固有的脆性、涂层与C/C基体的不匹配等问题，难以满足越来越严苛的实际应用需求。为有效地解决上述问题，近二十年来，人们针对C/C基体及其涂层提出了微/纳米多尺度增强新思路，以制备兼具高强度和优异高温稳定性的碳基复合材料。本文系统地综述了纳米颗粒、纳米线、碳纳米管/纤维、晶须、石墨烯、陶瓷纤维和杂化微/纳米结构等微/纳多尺度强韧化研究的最新进展，以期实现长时有效耐超高温氧化/烧蚀的碳基复合材料。最后，对研发具有优异综合热机械性能的碳基复合材料的面临的主要问题、挑战和未来的研究方向进行了展望。希望这篇综述能够引起相关领域的广泛关注，共同推进学科与产业的优效发展。

本文亮点

本文综述了近年来主要的单一及杂化微/纳米多尺度增韧C/C及其涂层的研究进展。

微/纳多尺度增强体，特别是陶瓷纳米线、晶须和碳纳米管应用于C/C或涂层中，可以通过减少裂纹的数量和尺寸，防止裂纹的扩展，提高涂层和C/C基体的韧性，从而大大改善其抗氧化性、热冲击性和韧性，在不降低致密性的前提下，提高了C/C的抗烧蚀性能。

微/纳多尺度显示出有效的增强、增韧效果，值得进一步研究，预示其针对在极端恶劣环境下应用的高技术发展方面具有广阔的前景和潜力。

本文对具有优异综合热机械性能的碳基复合材料研发面临的主要问题、挑战和相应可能的解决方案进行了总结与展望。

图文解析

图 1. 极端高温环境用材料及其相关环境概览

图 2. 复合材料极端环境领域中应用实例

图 3 复合材料实验室高温氧化（a）和烧蚀（b）试验，以及风洞冲蚀试验（模拟真实的使用环境）（c）（相应的试验装置图见（d））

图 4. （a）复合材料普适防护方法（包括（1）基体改性和（2）高温防护涂层），（b）有望应用于极端高温环境（例如高温氧化，更剧烈的热冲击，燃烧气体燃烧引起的烧蚀和腐蚀）用碳碳复合材料的微/纳米多尺度增强体。其中红色箭头表示增强碳碳复合材料，黑色箭头表示增韧涂层

图 13. SiCNW及其增韧涂层试样微结构，以及相关增韧机理

图 16. 热处理温度对SiCNWs形貌的影响

图 17. SiCNW@PyC结构的透射电子显微镜（TEM）形貌

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图 18. C/C-ZrB2-ZrC-SiC基材上SiCNW@PyC核壳结构增韧SAPS-ZrB2-ZrC涂层制备示意图（左），SiCNW@PyC核壳结构SEM/TEM形貌（右）

图 25. （a）烧蚀装置示意图、（b）烧蚀过程中材料表面温度随烧蚀时间的变化、（c）利用Ansys Fluent软件模拟的烧蚀过程的热流场和（d）速度场对C/C表面不同区域形貌的影响

图 26. C/C烧蚀行为与EPD时间（min）的关系：（a）烧蚀表面宏观形貌、（b）样品的线性烧蚀率和质量烧蚀率、（c）烧蚀样品厚度变化图和（d）烧蚀过程横截面变化示意图

图 28. 含原位生长SiCNW的短纤维增强碳基复合材料制备（a, b）、形貌（c）及其弯曲试验的应力-应变曲线（d）

图 32. SiCNWs@PyC-C/C–ZrC–SiC（A）和HfCNWs-C/C（B）复合材料制备工艺示意图

图 34. 高桂氧纤维铺层结构及其增强复合材料形貌

图 35. 混合热防护材料（TPM）的几何结构及配置

图 38. SiCNWs增强CBCF复合材料的断裂行为

总结与展望

论文系统评述了微/纳多尺度强韧化极端苛刻环境用耐高温氧化/抗烧蚀复合材料（包括基体和涂层）最新重要进展，并对其强韧化机理和效果进行了着重论述。所述微/纳多尺度强韧化材料包括纳米颗粒（NPs），纳米线（NWs），碳纳米管/碳纳米纤维（CNT/CNFs），晶须，石墨烯，陶瓷纤维和混杂微/纳米结构等。最后，本综述总结了部分尚未有效解决的主要问题，需要应对的挑战以及针对具有优异综合热-机械性能的极端苛刻环境用耐高温氧化/抗烧蚀复合材料提出了一些未来的研究建议。

如何开发具有优异力-热综合性能（高强韧的抗氧化、抗烧蚀、耐磨蚀、耐冲刷）的复合材料？

如何制备可在宽温域范围内稳定应用的自愈合、抗氧化/抗烧蚀、可重复使用复合材料？

如何制备面向极端高温环境应用的大尺寸异形复合材料结构件？

作者学术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

课题组介绍

付前刚，教授，西北工业大学材料学院党委书记，陕西省纤维增强轻质复合材料主任，陕西省高性能长寿命陶瓷涂层创新团队负责人，陕西省碳/碳复合材料工程中心副主任。兼任中国复合材料常务理事，中国材料研究学会理事，中国材料研究学会青年工作委员会理事，中国硅酸盐学会测试技术分会理事，中国金属学会炭素材料分会委员，中国复合材料学会空天动力复合材料及应用专委会委员；主要从事抗氧化抗烧蚀碳/碳复合材料研究，主持国家自然基金（5项）、国防基础科研等10余项课题。在Adv. Mater., Carbon, J. Eur. Ceram. Soc., Corros. Sci. 等期刊发表SCI收录论文300余篇。授权专利43项。2012年入选首批基金委优青，2013年入选首批中组部万人计划-青拔，2017年入选第三批万人计划-科技创新领军人才，教育部新世纪优秀人才、首批陕西省青年科技新星，博士论文入选全国百篇优博。担任《J. Mater. Sci. Technol.》、《中国科学：技术科学》、《无机材料学报》等五种期刊编委。以第二完成人获国家自然科学二等奖、教育部技术发明一等奖和陕西省科学技术一等奖，获国防科技创新团队奖和陕西省青年科技奖。

张佩，男，2013年和2016年先后于西安科技大学获学士学位和硕士学位。现为西北工业大学付前刚教授课题组博士生。主要从事超高温轻质结构复合材料及其涂层防护方面的研究工作；近年来参与陕西省科技工业攻关项目、国家自然科学基金面上项目（第三、第六参与人）、国家自然科学基金群体项目等多项课题；发表SCI、EI收录论文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.、中国稀土学报（英文版）、稀有金属材料与硬质合金、中国有色金属学报、热加工工工艺等国内外学术期刊）；申报发明专利2项，已获授权1项。先后为Mater. Lett.、Carbon、Corros. Sci.等期刊审稿。兼任中国硅酸盐学会会员（E414000002S ），中国金属学会炭素材料分会会员（E312600773A），中国复合材料学会会员（E63090113）等。曾获武汉理工大学“第九届高校材料科学与工程学科研究生论坛”优秀报告奖（2019年11月）、湖南省“高性能材料设计与制备”研究生创新论坛的优秀论文奖（2020年10月）和“IFAM2020新材料国际发展趋势高层论坛”优秀POSTER奖（2020年11月）。

李贺军，院士，材料领域专家，杰青，亚太材料科学院院士，材料学院教授，博导。1991年获哈尔滨工业大学塑性加工专业博士学位。2004年起任超高温结构复合材料重点实验室副主任。长期从事碳/碳复合材料、抗氧化/烧蚀涂层、碳纤维增强纸基与金属基复合材料等研究工作。获国家自然科学二等奖1项，国家技术发明二等奖2项，国家教学成果一等奖1项、二等奖1项，省部级一等奖6项，获日本复合材料学会Hayashi Memorial 国际奖和中国炭素杰出成就奖。获授权发明专利155件，出版专著和教材3部。获全国模范教师、首届全国“最美科技工作者”，陕西省教书育人楷模等荣誉。

关键参考文献

[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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