Si-B-C-N系陶瓷复合材料在高温氧化和烧蚀作用下组织结构演化与损伤机制

Si-B-C-N系陶瓷材料具有密度低、抗氧化性好、抗蠕变能力强、热膨胀系数低等优点，因而在航空航天防热与高温结构件上极具应用潜力。但目前对其氧化动力学的研究仍很不充分，对其抗氧化机理也仍无定论。申请人初步研究表明，除了材料表面形成的氧化膜具有减缓氧化作用外，陶瓷中C-B-N键的含量也似乎起到了重要的作用。同时，该陶瓷材料烧蚀损伤行为机制的研究也尚处于空白。因此，本申请拟研究Si-B-C-N系陶瓷复合材料在后续处理与高温氧化条件下的组织结构演化规律、氧化行为、氧化动力学与抗氧化机理，以及其在液氧煤油发动机和等离子电弧风洞烧蚀条件下的损伤行为和损伤机制。该研究有助于揭示该系材料高温氧化与烧蚀作用下的损伤理论，可为该系材料在防热构件上的应用及优化设计提供理论与技术支持，因此具有重要的学术和潜在的工程应用价值。

采用机械合金化工艺获得了非晶态Si-B-C-N 粉末及纳米Si-B-C-N系复相陶瓷；阐明了Al、ZrO2、AlN、MgO-Al2O3-SiO2（MAS）添加剂对材料烧结行为和高温氧化行为的影响规律及机制；揭示了其微观组织结构、力学/热物理学性能以及晶化行为规律/机制；阐明了短纤维对材料力学性能、抗热震性能以及耐烧蚀性能的影响规律/机制。. (1)Si-B-C-N粉末在1500℃保温30min，开始析晶，首先形成SiC纳米晶；随着温度的升高，SiC纳米晶逐渐长大，BN(C)相逐渐析出；温度等于或高于1700℃时，材料发生了明显的晶化，晶体相由β-SiC、α-SiC和BN(C)构成。(2)在1900℃/80MPa/30min条件下热压烧结制备的2Si-B-3C-N陶瓷由平均晶粒尺寸小于100 nm，且分布均匀的β-SiC、α-SiC 和BN(C)构成。BN(C) 相具有湍层结构，由分布不均匀的湍层氮化硼、湍层碳以及B原子固溶的湍层碳和C原子固溶的湍层氮化硼等原子层构成。(3)AlN或ZrO2 或MAS添加后，显著提高陶瓷材料的相对密度、抗弯强度和硬度；MAS添加后，还显著提高了陶瓷材料的断裂韧性；AlN、ZrO2添加剂的加入使SiC与BN(C)的晶粒发生了明显的长大。(4)掺杂MAS后，SiBCN陶瓷的抗氧化性能得到很大提高；而掺杂Al、ZrO2、AlN后，SiBCN陶瓷的抗氧化性能降低，含有Al或ZrO2或AlN添加剂的SiBCN复相陶瓷经高温氧化后变成多孔结构。(5)SiBCN陶瓷高温氧化时，在扩散过程中，16O与氧化层的相互作用占主导，即通过置换SiO2晶格中的O原子来实现扩散。(6)短碳纤维或短碳化硅纤维的引入改善了陶瓷复合材料的断裂韧性，并提高了复合材料的热震性能和耐烧蚀性能；短碳化硅纤维增韧SiBCN复合材料比短碳纤维增韧SiBCN复合材料表具有更优良的耐高温烧蚀性能。. 项目研究为先进多功能航天防热材料，尤其是Si-B-C-N系陶瓷基复合材料的进一步研制与开发应用提供了有力理论和技术支撑。共发表论文8篇，其中SCI、EI检索各7篇；申请国家发明专利5项，授权2项。项目研究成果多次在国际会议上以邀请报告的形式进行交流。培养博士生2人，硕士生2人。项目负责人贾德昌教授于2012年入选国家杰出青年基金、2013年入选科技部中青年科技创新领军人