基于微纳米结构调控的石墨烯/ZrB2 陶瓷基复合材料抗热冲击性能研究

The non-ablative ultra-high temperature ceramic material is one of the most successful key technologies to manufacture the near space hypersonic flight vehicle. This project aims to solve the intrinsic brittleness and the poor thermal shock resistance of the ultra-high temperature ceramic material. Utilizing bionic design can improve and optimize the microstructure of ultra-high temperature ceramics and the method of building multi-scale layered structure with graphene and ZrB2 ceramic powder is proposed. The method would enrich the effective ways to improve strengthening-toughening and thermal shock resistance of brittle material. This project is mainly study the mechanical and thermal behavior of micro/nano-layered graphene /ZrB2 ceramic matrix composite and establish the quantitative relationship between the technology of controlling micro structure, strengthening-toughening and thermal shock resistance. On the one hand, it would provide the analysis basis of establishing the non-ablative ultra-high temperature ceramic material multi-scale strength mechanism and thermal shock theory; on the other hand, it would give precise guidance for the optimization and the reasonable use and life assessment of the non-ablative ultra-high temperature ceramic material. This project belongs to the cutting edge of basic research, the research results will further enrich and develop the scientific theory of the multi-scale toughness and thermal shock resistance of brittle materials, at the same time, the study would provide a theoretical basis and technical reserves for the hot end part of the aerospace vehicle.

非烧蚀超高温陶瓷材料是近空间高超声速飞行器研制成败最为关键的技术之一。本项目针对超高温陶瓷材料的本征脆性及抗冲击性能差这一瓶颈问题，通过借鉴仿生设计来改善和优化超高温陶瓷的微结构，提出石墨烯与ZrB2陶瓷粉体构建多尺度层状结构方法，丰富脆性材料强韧性及改善其抗热冲击性能的有效途径。本项目主要通过研究微纳米层状结构的石墨烯/ZrB2陶瓷基复合材料的力学和热学行为，建立微结构调控工艺与强韧化及抗热冲击性能之间的定量关系；一方面为建立非烧蚀超高温陶瓷材料多尺度强韧化机理与抗热冲击理论提供分析依据，另一方面为非烧蚀超高温陶瓷材料的性能优化、合理使用以及寿命评估等提供精确指导。本项目属于前沿性的基础研究，其研究成果将进一步丰富和发展脆性材料的多尺度强韧化及抗热冲击的科学理论，同时为非烧蚀超高温陶瓷材料在航天飞行器的关键热端部件上的使用提供理论基础和技术储备。

非烧蚀型超高温陶瓷材料是应用于极端热环境中的一种防热材料。ZrB2陶瓷基复合材料因其优异的热物理性能而被视为一种非常有前途的非烧蚀型超高温防热材料。但一直以来ZrB2陶瓷基复合材料的本征脆性和较差的抗热冲击性能限制了其广泛的工程应用。碳材料由于其优异的特性，如高电导、高热导、化学惰性、低热膨胀系数、轻质等，被越来越来多的材料科学家所重视，尤其是伴随着具更优异性能的富勒烯、碳纳米管、石墨烯等碳纳米材料的相继发现，全世界科学界刮起了‘纳米碳’研究的热潮。在超高温陶瓷领域，各种形式的碳材料已被用来改善ZrB2陶瓷基复合材料的烧结特性、力学及抗热冲击性能，但研究还远不够深入。本项目针对ZrB2陶瓷基复合材料本征脆性，探究了不同方法将碳纳米材料均匀引入陶瓷基体中，研究了碳纳米材料对ZrB2陶瓷基复合材料力学性能影响及相应的增韧机理，启发于生物结构，将跨尺度层次结构引入石墨烯/ZrB2陶瓷基复合材料中。利用仿生微结构增韧超高温陶瓷的同时，采用高陶瓷组分的弱界面保证ZrB2超高温陶瓷材料优异的抗氧化烧蚀性能，通过微结构设计缓解仿生陶瓷的显著各向异性。最终通过多组分、跨尺度微结构设计缓解仿生陶瓷材料的各向异性，在实现多尺度增韧和改善抗热冲击性能的同时又保持了其优异的抗氧化烧蚀性能。本项目的完成一方面为建立非烧蚀超高温陶瓷材料多尺度强韧化机理与抗热冲击理论提供分析依据，另一方面为非烧蚀超高温陶瓷材料的性能优化、合理使用以及寿命评估等提供精确指导。本项目的研究成果将进一步丰富和发展脆性材料的多尺度强韧化及抗热冲击的科学理论，同时为非烧蚀超高温陶瓷材料在航天飞行器的关键热端部件上的使用提供理论基础和技术储备。