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苏州国家实验室张幸红教授团队超高温陶瓷材料的全新综述精选

已有 3267 次阅读 2026-1-4 10:12 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Li F, Zhang G-J, Zhou Y, et al. Expanding the members of ultra-high temperature ceramics and their maximum service temperature exceeding 3000 °C. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221231

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221231

ResearchGate：Expanding the members of ultra-high temperature ceramics and their maximum service temperature exceeding 3000 °C

1、导读

超高声速飞行器在大气层内或跨大气层飞行时遭受严重的气动加热，某些关键部件的温度可达3000℃甚至更高。以极高的热流密度、强氧化烧蚀、高速气流冲刷、急剧的热梯度等为代表的极端环境对飞行器热防护系统及材料提出了严苛要求。现有研究表明，要实现耐热材料突破3000℃应用极限，不仅超高温陶瓷材料本身需具备该耐温能力，其氧化产物同样必须能承受3000℃高温。这些严苛要求不仅对材料科学构成挑战，更使得超高温陶瓷领域处于关键发展节点。在此关键节点，基于历史成就规划未来方向就显得尤为重要。哈尔滨工业大学张幸红教授联合苏州国家实验室周延春研究员、东华大学张国军研究员对超高温陶瓷及其复合材料的研究现状进行了综述。本文将回顾过去数十年间超高温陶瓷及其复合材料的关键进展，勾勒超高温陶瓷及其复合材料的发展轨迹，探讨突破现有局限的策略，预测可能出现的挑战，并阐述我们对该领域的展望。

2、文章亮点

超高温陶瓷是顺应寻找可在极端环境中应用的材料需求而不断发展的，超高温陶瓷的第一波研究热潮始于上世纪50年代末至70年代，为了寻找能够在火箭推进器等可用材料；第二波研究热潮始于上世纪80年代末直至本世纪20年代，为了满足对超高声速飞行器等用材需求。在过去几十年的研究中，非氧化物始终占据超高温陶瓷的研究中心位置，从超高温陶瓷粉体、前驱体合成、致密化、构筑复合材料等制备过程，到室/高温力学、热学、抗氧化、炕烧蚀性能、相平衡与相图研究等领域取得了突出的成绩。目前，科学研究向极宏观拓展、向极微观深入、向极端条件迈进、向极综合交叉发力，不断突破人类认知边界。超高温热防护材料的服役温度已被推到3000℃以上，寻找耐3000℃极端高温的新材料为超高温陶瓷及其复合材料的发展带来了机遇和挑战，或将引发超高温陶瓷的第三波研究热潮。

图1 超高温陶瓷材料的研究与开发时间线

本文认为超高温陶瓷及其复合材料未来的研究方向包括：发现新型超高温陶瓷（涵盖氧化物与非氧化物）；合成高纯超高温陶瓷粉体以实现低温烧结并潜在提升高温性能；开发可直接转化为超高温陶瓷的聚合物前驱体，从而促进超高温陶瓷纤维及超高温陶瓷复合材料的制备；探索超高温陶瓷及其复合材料的新型加工方法，以降低制造成本并缩短制备周期；系统研究超高温陶瓷的高温物理化学特性、抗氧化烧蚀机制；探索建立主/被动相结合的超高温热防护系统。厘清真实服役极端环境并在实验室中进行模拟。运用多尺度模拟建立原子尺度属性与宏观性能的关联性，实现超高温陶瓷材料的成分、微观结构及性能的精准设计，最终达成超高温陶瓷及其复合材料的按需设计。

图2 超高温陶瓷多尺度设计框架与结构演变示意图

3、作者及研究团队简介

李飞（第一作者），苏州国家实验室副研究员，《先进陶瓷（英文）》期刊编委。2015年在中国科学院上海硅酸盐研究所获得工学博士学位，主要研究方向为先进陶瓷及其复合材料的制备与性能优化。在J. Adv. Ceram.、J. Euro. Ceram. Soc.、J. Am. Ceram. Soc.等陶瓷类国际权威期刊上发表论文40余篇，总被引用3000余次，单篇最高被引445次，H因子23。（ORCID: 0000-0002-1949-2426）

张国军，东华大学研究员，《先进陶瓷（英文）》期刊编委，长期从事非氧化物陶瓷的制备科学、微结构调控与性能表征研究。

周延春，苏州国家实验室研究员，《先进陶瓷（英文）》期刊主编，长期从事高温陶瓷及复合材料的多层次结构设计、制备与性能研究。

张幸红，哈尔滨工业大学教授，《先进陶瓷（英文）》期刊编委，长期从事先进超高温热防护材料与结构研究。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）Fang C, Dong S, Zhang X, et al. Breaking the 3000 °C melting temperature barrier of oxide ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(11): 9221193. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221193

2）Peng P, Liu J-X, Xin X-T, et al. Dual-phase medium-entropy diboride–carbide ceramics with metal element exchange during sintering. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(1): 9221007. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9221007

3）Zhang S, Zhang J, Wang X, et al. Preparation, mechanical, and thermal properties of CrNbO₄: A novel dual-functional scale to protect RHEAs from oxidation and thermal attack. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(7): 9221100. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221100

4）NI D, CHENG Y, ZHANG J, et al. Advances in ultra-high temperature ceramics, composites, and coatings. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(1): 1-56. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-021-0550-6

5）XIANG H, XING Y, DAI F-z, et al. High-entropy ceramics: Present status, challenges, and a look forward. Journal of Advanced Ceramics, 2021, 10(3): 385-441. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-021-0477-y

6）LI F, HUANG X, LIU J-X, et al. Sol–gel derived porous ultra-high temperature ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2020, 9(1): 1-16. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-019-0332-6

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。