碳纤维-石墨烯/ZrB2基陶瓷多层次结构构筑及其强韧化机理研究

Ultra-high temperature ceramics (UHTC) is one of the most important key issues for the development of hypersonic vehicles. This project aims to solve the intrinsic brittleness of the UHTC, which is one of the technical bottlenecks of this kind of materials. Here, a new idea of constructing multilevel structures to achieve strengthening and toughening is proposed using carbon fiber and graphene, which develops a new type of carbon fiber-graphene/ZrB2 based UHTC with high strength and toughness. The study will focus on the cross scale construction method of multilevel structures of carbon fiber-graphene/ZrB2 based UHTC. The inherent laws between molding process, multilevel structures and mechanical properties will be explored. The objective of this study is to obtain the evolution rules and the strengthening and toughening mechanism of multilevel structures through the fracture and failure analysis. It is believed that this study can provide theoretical basis for the preparation, structural design and performance analysis of the UHTC of our country’s future hypersonic vehicles.

超高温陶瓷材料是高超声速飞行器研制成败的关键技术之一。本项目针对超高温陶瓷材料的本征脆性这一技术瓶颈问题，提出利用碳纤维、石墨烯在ZrB2基超高温陶瓷中构筑多层次结构来实现强韧化，发展一种新型的高强高韧碳纤维-石墨烯/ZrB2基超高温陶瓷。项目重点探索碳纤维-石墨烯/ZrB2基陶瓷多层次结构的跨尺度构筑方法；探究成型工艺-多层次结构-力学性能间的内在规律；开展碳纤维-石墨烯/ZrB2基陶瓷破坏失效行为研究，获得多层次结构演变规律，揭示相应的强韧化机理。本项目为我国高超声速飞行器超高温陶瓷材料的成型制备、结构设计、性能分析等提供理论基础。

超高温陶瓷材料是高超声速飞行器研制成败的关键技术之一。本项目针对超高温陶瓷材料的本征脆性这一技术瓶颈问题，利用碳纤维、石墨烯在陶瓷中构筑了多层次结构，初步实现了增韧ZrB2基超高温陶瓷的目的。主要研究了两种构筑多层次结构的方法：（1）利用碳纤维、氧化石墨烯和微米陶瓷颗粒，采用真空辅助抽滤、螺旋组装结合放电等离子烧结法构筑了层状和螺旋结构构成的多层次结构；（2）利用碳纤维、聚碳硅烷和纳米ZrB2陶瓷颗粒，采用改进浸渍裂解法、螺旋组装结合热压烧结低温构筑了‘砖-泥’层状和螺旋结构构成的多层次结构，探究了相应多层次结构成型工艺-微结构-力学性能间的内在规律，改善了ZrB2基超高温陶瓷对裂纹及缺陷的敏感度，提升了材料的可靠性，同时开展了碳纤维-石墨烯/ZrB2基陶瓷破坏失效行为研究，系统分析了裂纹在多层次结构中扩展路径，其增韧机理为微纳米尺度上的石墨烯桥联、碳纤维拔出及桥联、微米及宏观尺度上的螺旋裂纹，多裂纹、裂纹分叉及长裂纹偏转。本项目提供了在超高温陶瓷中构筑层状和螺旋结构的方法，丰富了超高温陶瓷的增韧机理，为我国高超声速飞行器超高温陶瓷材料的成型制备、结构设计、性能分析等提供技术及理论基础。