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西北工业大学付前刚/孙佳等：纳米颗粒诱导相变实现陶瓷基复合材料强韧化与耐烧蚀精选

已有 370 次阅读 2026-6-9 10:04 |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:

Zhang Y, Sun J, Cui D, et al. Nanoparticle-induced phase transformation boosts mechanical and ablation performance for C/C–ZrC–SiC composites. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221308

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221308

ResearchGate：Nanoparticle-induced phase transformation boosts mechanical and ablation performance for C/C-ZrC-SiC composites

基金支持：

本工作获得了国防基础科研计划（JCKY2022607C007）、国家自然科学基金（52472107、52432003）和国家重点研发计划（2021YFA0715802）资助。

一、导读

陶瓷基复合材料轻质高强、耐超高温，是理想的热防护材料，但基体本征脆性会降低服役可靠性。本文提出纳米颗粒诱导相变增韧策略，通过有机-无机杂化熔渗法制备C/C-ZrC-SiC复合材料。ZrC纳米颗粒可促进位错增殖，通过应力驱动SiC相变与热诱导ZrO₂马氏体相变，实现复合材料的强韧化和耐烧蚀。优化后复合材料弯曲强度达207.5 MPa，断裂韧性为7.12 MPa·m^1/2，在近3000 ℃等离子体烧蚀后线烧蚀率仅0.15 μm/s。该策略为超高温热防护复合材料的研发提供了高效可行的新方案。

二、研究背景

航空航天及高超声速飞行器技术的快速发展，热防护系统面临极端工况，要求热防护材料兼具耐高温、抗烧蚀、耐冲刷及承载能力。陶瓷基复合材料凭借轻质、高熔点、高比强等优势成为候选材料，但陶瓷基体强化学键导致其本征脆性突出，使得服役可靠性大大降低。

相变增韧是改善陶瓷本征脆性的有效手段，通过能量耗散实现陶瓷基体强韧化，目前已在离子型陶瓷如ZrO₂的马氏体相变中成熟应用。然而，对于共价键陶瓷如SiC、Si₃N₄相变能垒较高，相变调控难度大，其应用潜力未得到充分开发。纳米弥散强化可有效丰富相界面，促进位错形核与原子滑移，进而实现陶瓷材料的强韧化。基于此，本研究采用有机-无机杂化熔渗工艺制备纳米弥散增强C/C-ZrC-SiC复合材料，阐明纳米颗粒与基体及氧化膜间的相互作用机制，同步实现复合材料的强韧化及抗烧蚀性能提升。

三、文章亮点

1. 创新制备方法：采用可熔性有机-无机杂化熔渗的方法，在1600 °C负压条件下制备致密的纳米弥散增强C/C-ZrC-SiC复合材料。该工艺克服了传统反应熔渗易残留低熔点硅化锆的弊端，实现了复合材料物相与综合性能的精准调控。

2. 相变增韧机制：利用有机物原位生成纳米ZrC颗粒强化基体，借助纳米钉扎效应促进位错增殖与变形孪晶生成，进而激发SiC相变，实现复合材料强韧化。烧蚀过程中，ZrC纳米颗粒氧化生成ZrO₂并在冷却过程中发生马氏体相变驱动孪晶形成，提高了氧化膜塑性。

四、研究结果及结论

图1系统研究了不同配比有机-无机杂化体熔渗对复合材料的微观结构影响。随着杂化体中有机物占比的增加，复合材料中残留ZrSi₂的含量逐渐降低直至完全消失，纳米ZrC的生成量显著增加。有机前驱体吸附在硅锆粉末表面形成包覆结构，经熔渗后基体中获得均匀弥散的ZrC纳米颗粒，这充分说明在硅锆熔体中添加有机乙酰丙酮锆能够有效促进陶瓷相的均匀分布。

图1 不同比例有机-无机杂化熔渗制备复合材料的微观结构及原理示意图

图2展示了不同配比有机-无机杂化体熔渗制备复合材料的力学性能。结果表明，随着杂化体中有机乙酰丙酮锆含量的增加，复合材料的弯曲强度和断裂韧性均呈现先升后降的规律。且随着ZrC纳米颗粒含量增加，复合材料的断裂模式由拉压协同变形逐渐转变为拉剪耦合模式。这是由于有机物的添加减少了脆性ZrSi₂残留相，且生成ZrC纳米颗粒产生钉扎效应，实现基体强韧化。当有机物掺杂量过高时（P4S1），复合材料孔隙率增加，纳米颗粒与基体界面增多，剪切效应加剧，最终导致复合材料强度与韧性同步下降。

图2 不同复合材料的弯曲性能和断裂韧性

图3展示了P2S1试样弯曲断裂后断口的位错组态及微观结构。ZrC纳米颗粒可有效钉扎位错运动与诱导裂纹偏转。同时，在ZrC颗粒附近可观察到刃型位错，其可作为位错形核位点，促进位错萌生与增殖。ZrC纳米颗粒钉扎的3C-SiC基体内富集大量高密度位错，并形成位错缠结、交滑移、塞积乃至位错切过等典型结构。该结果证实，ZrC纳米颗粒能有效阻碍位错运动，提升基体局部应变硬化能力，进而实现复合材料的强韧化。

图3 P2S1试样断裂后的位错形貌

图4是P2S1试样弯曲断裂后生成的解理台阶的TEM照片。基体最外层保持完整的3C‑SiC晶体结构，内部分布大量滑移台阶与刃型位错滑移带。生成的解理台阶区域出现3C‑SiC与6H‑SiC共存结构。滑移面左侧富集高密度滑移台阶与刃型位错，伴随高应变累积及6H‑SiC纳米晶生成；右侧应变集中于两相晶界，同时发生大范围3C→6H‑SiC相变。研究表明，3C‑SiC向6H‑SiC的多型转变可有效释放局部应力，显著改善基体塑性变形能力。

图4 P2S1试样断裂引起的ZrC纳米颗粒诱导3C→6H-SiC相变

图5是不同配比有机-无机杂化体熔渗制备复合材料的烧蚀形貌。由于有机乙酰丙酮锆的添加减少了熔渗后复合材料中低熔点ZrSi₂的残留，并且生成纳米ZrC颗粒增强基体，其在烧蚀过程中生成纳米ZrO₂颗粒增强氧化膜，提高了氧化膜的稳定性，从而增强复合材料的抗等离子冲刷能力。

图5 不同复合材料的等离子烧蚀性能

五、作者及研究团队简介

张育育（第一作者），西北工业大学材料学院博士生，主要从事超高温陶瓷改性C/C基体强韧化与抗烧蚀涂层的研究。

孙佳（通讯作者），西北工业大学材料学院教师，博士生导师，主要研究方向包括C/C复合材料热防护涂层、聚合物转化陶瓷基复合材料、超高温环境障涂层。

付前刚（通讯作者），西北工业大学材料学院教授，博士生导师。主要研究方向包括C/C复合材料基体改性、高温抗氧化/抗烧蚀涂层以及碳和碳化硅纳米材料的制备、表征与应用。

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

1）Zhang Y, Zhang X, Ou H, et al. Heat dissipation of carbon shell in ZrC–SiC/TaC coating to improve protective ability against ultrahigh temperature ablation. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(7): 1080-1091. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220921

2）LIU B, SUN J, ZHOU L, et al. Microstructure evolution and growth mechanism of core–shell silicon-based nanowires by thermal evaporation of SiO. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(9): 1417-1430. https://doi.org/10.1007/s40145-022-0620-4

《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、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。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，2025年发文量为202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34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。