富硼过渡金属化合物TMBn的化学键特性和性能调控方法

Boron rich transition metal borides TMBn, where TM is a transition metal, n=2,4,6 or 12, process a uinique combination of low desnsity, high melting point, high strength, good structural and chemical stability, good thermal and electrical conductivity,excellent ablation and erosion resistance, and are considered as candidate materials for thermal protection of hypersonic vehiecles, solar absorbtion, high efficiency thermal emition coating in high temperature furnaces. However，the electronic structure, chemical bonding nature and their effects on the macroscopic properties are not well understood. Due to the lack of knowledge on electronic structure,chimical bonding and properties , the poor thermal shock resistance, unsatisfied thermal conductivity are difficult to solve during applications as thermal protection materials in hypersonic vehiecales. The mechanism and material selection criteria are also not clear for thermal emission applications. It is well kownn that the macroscopic properties are underpined by the electronci structure and chemical bonding nature. The divise shapes of d orbitals in transition metals and charateristics of valence electron configuration of boron atoms make the electronic structure and chemical bonding more complex and divise, thus detailed invistigation on the structure-property relationships is helpful in tailoring the thermal shock resistance, absorption and emission properties of TMBn. The popurse of this work is to investigate the electronic structure and chemical bonding of TMBn, predict the mechanical, thermal and electrical properties combined with the material synthesis and property testing of selected materials, and provide theoretical basis for the applications of TMBn in hypersonic vehiecles, solar absorption and theral emission.

富硼过渡金属化合物TMBn(TM是过渡金属、n=2、4、6或12)，具有低密度、高熔点、高强度、结构和化学稳定性好、导热、导电、抗烧蚀和抗冲刷等优异性能，是高超声速飞行器热防护、太阳能有效吸收、热工设备高发射率辐射涂层的关键候选材料。但目前对这类化合物的电子结构、化学键特性及其对宏观性能的影响尚不清楚，使得在高超声速飞行器应用中面临的抗热冲击性差、热导率不高等问题难以解决，作为高发射率辐射涂层材料的机理和选材原则也不清楚。由于电子结构和化学键特性是决定其宏观性能的本质，d电子的轨道多样性和B价电子的特殊性使得化学键特性复杂多样并直接影响宏观性能，深入认识结构和性能关系，可实现对它们的抗热冲击性、吸收、辐射等性能的裁剪和调控。本项目拟在化学键特性研究和性能预测基础上，结合有选择的材料制备和性能验证，为这类材料在高超声速飞行器热防护、太阳能吸收和高发射率热辐射涂层等方面的应用提供理论依据。

富硼过渡金属化合物TMBn(TM是过渡金属、n=2、4、6或12)，具有低密度、高熔点、高强度、结构和化学稳定性好、导热、导电、抗烧蚀和抗冲刷等优异性能，是高超声速飞行器热防护、太阳能有效吸收、热工设备高发射率辐射涂层的关键候选材料。但目前对这类化合物的电子结构、化学键特性及其对宏观性能的影响尚不清楚，使得在高超声速飞行器应用中面临的抗热冲击性差、热导率不高等问题难以解决，作为高发射率辐射涂层材料的机理和选材原则也不清楚。由于电子结构和化学键特性是决定其宏观性能的本质，d电子的轨道多样性和B价电子的特殊性使得化学键特性复杂多样并直接影响宏观性能，深入认识结构和性能关系，可实现对它们的抗热冲击性、吸收、辐射等性能的裁剪和调控。.本项目采用第一原理与实验相结合的方法，研究了富硼过渡金属化合物TMBn的电子结构、化学键特性与其宏观力、热、电性能的关系，揭示决定TMBn力学、热学性能的本质，通过组分设计、掺杂等手段实现了对TMBn的电子结构、化学键特性和性能的裁剪，为富硼过渡金属化合物TMBn在高超声速飞行器的热防护及太阳能吸收领域的应用提供了理论依据。.在本项目研制过程中除了对已知的富硼过渡金属化合物TMBn进行了深入的研究外，发现了1个新化合物Cr4AlB4, 制备出一种新的二维材料2D-CrB，提出了一种新的化学键合方式---由互相垂直的p轨道形成的键。.在四年的研究过程中，有关研究结果已在国内外学术期刊发表论文43篇，其中SCI影响因子大于3的31篇。在国际会议上组织超高温陶瓷及层状可加工陶瓷分会6次，做有关邀请报告和口头报告8次，担任国际顾问委员会委员或主席6次。获得美国陶瓷学会工程陶瓷部2018年桥梁建设奖，并在第42届先进陶瓷与复合材料国际会议上做了大会报告。.