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西北工业大学李贺军院士，付前刚教授团队J. Mater. Sci. Technol.长篇综述：面向极端高温环境应用的微/纳米多尺度强韧化复合材料研究进展 近日，材料领域著名综合性期刊《Journal of Materials Science and Technology》(影响因子IF=6.155，中科院期刊分区1区(Top期刊))在线发表了西北工业大学李贺军院士、付前刚教授课题组(团队)长篇特邀综述论文“Micro/nano multiscale reinforcing strategies toward extreme high-temperature applications: Take carbon/carbon composites and their coatings as the examples”。系统评述了微/纳多尺度强韧化极端苛刻环境用耐高温氧化/抗烧蚀复合材料(包括基体和涂层)最新重要进展，并对其强韧化机理和效果进行了着重论述。所述微/纳多尺度强韧化材料包括纳米颗粒(NPs)，纳米线(NWs)，碳纳米管/碳纳米纤维(CNT/CNFs)，晶须，石墨烯，陶瓷纤维和混杂微/纳米结构，等等。最后，本综述总结了部分尚未有效解决的主要问题，需要应对的挑战以及针对具有优异综合热-机械性能的极端苛刻环境用耐高温氧化/抗烧蚀复合材料提出了一些未来的研究建议。全文综合大图39副，表格13个，243条参考文献，基于团队十多年研究工作及相关课题组、研究单位成果综述而成，总计21000余字。付前刚教授和博士生张佩为共同第一作者，付前刚教授和李贺军院士为共同通讯作者。 在对已发表研究工作综述的基础上，作者提出了今后的关键研究方向及相关建议。 1) 如何开发具有优异力-热综合性能(高强韧的抗氧化、抗烧蚀、耐磨蚀、耐冲刷)的复合材料？ 2) 如何制备可在宽温域范围内稳定应用的自愈和、抗氧化/抗烧蚀、可重复使用复合材料？ 3) 如何制备面向极端高温环境应用的大尺寸异形复合材料结构件？ 论文链接： file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps1.jpg 图片概要：
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps2.jpg
(a)复合材料普适防护方法(包括(1)基体改性和(2)高温防护涂层)，(b)有望应用于极端高温环境(例如高温氧化，更剧烈的热冲击，燃烧气体燃烧引起的烧蚀和腐蚀)用碳碳复合材料的微/纳米多尺度增强体。其中红色箭头表示增强碳碳复合材料，黑色箭头表示增韧涂层。 目录 1.引言1 1.1. 复合材料及其实际应用中存在的问题 1.2. 复合材料的热防护方法 1.2.1. 高温防护涂层 1.2.2. 基体改性 1.3. 富有成效的微纳米多尺度增强体 1.4. 本综述内容概要 2. 微/纳米多尺度增韧涂层 2.1. 晶须 2.1.1. SiC晶须 2.1.2. 其他晶须 2.2. 纳米颗粒 2.3. 碳纳米管 2.4. 纳米线/纳米带 2.4.1. SiC纳米线/纳米带和nanowire@PyC核壳结构 2.4.2. HfC纳米线 3. 用于复合材料的微/纳米多尺度增强体 3.1. 纳米颗粒 3.2. 碳纳米管/碳纳米纤维 3.3. 纳米线 3.4. 石墨烯 3.5. 陶瓷纤维 4. 混杂多尺度微纳米增强复合材料或/和涂层 4.1. 混杂多尺度微纳米增强涂层 4.2. 混杂多尺度微纳米增强基材 5结论和展望 5.1. 结论评述 5.2. 未来展望和建议的解决方案 致谢 参考文献 特别致谢 在李贺军院士的指导下，付前刚教授、张佩博士起草、统稿，并经张佩博士、付前刚教授多轮指导，修改、完善了本综述论文。英国诺丁汉大学侯向辉博士和德国达姆斯塔特工业大学Ralf Riedel教授(材料科学和地球科学系教务长，美国陶瓷学会会员、欧洲陶瓷学会会员、世界陶瓷科学院院士)校阅稿件，并提出了许多宝贵而又关键的改进意见，并协助修改本综述。上海交大王杰博士、本团队成员庄磊博士(现为西安交大教师)、周磊博士、张佳平博士副教授也对本综述进行了讨论、修改。本工作得到了国家自然科学基金委员会国际(地区)合作与交流项目(52061135102)、国家自然科学基金项目(National Natural Science Foundation of China) (91860203、51821091、51872239、52002321和52061135102)、陕西省创新人才推进计划-科技创新团队基金(Innovation Talent Promotion Plan of Shaanxi Province for Science and Technology Innovation Team (2020TD-003)、中国博士后科学基金项目(China Postdoctoral Science Foundation)(2019M660265)、中央高校基本科研业务费专项资金(Fundamental Research Funds for the Central Universities)(G2019KY05116, G2020KY05125)、超高温结构复合材料重点实验室基金项目(614291102010517、5050200015、5150200033)和陕西省教育厅科研计划项目(Shaanxi Provincial Education Department of China)(2020JQ-170)等的资助。衷心感谢Ralf Riedel教授团队谢士后研究员文青波(现为中南大学熊翔教授课题组副教授)和凝固技术国家重点实验室李文亚教授(对综述手稿的点评及就稿件投递注意事项所提的宝贵建议)，同时感谢宋强研究员(文件参考)、王贝贝博士、刘跃博士、殷学民博士、孙佳博士副教授、李伟博士副研究员、程春玉博士后、李涛博士、童明德博士、刘天宇博士、胡逗博士、谢薇博士、朱肖飞博士等人的有益讨论和建议。感谢以各种方式对完善本综述所提出的概念和想法，以及对手稿的讨论、完稿和细化改进提供意见的朋友。非常欢迎、感谢相关同行的支持、有益评论，并允许我们在综述论文中引用他们的成果，尤其是相关数据、资料和对比指标。因时间、条件、经验及水平所限，本综述未能完全列出本综述涉及主题的相关同仁工作、贡献及其成果，疏漏之处再所难免，敬请批评指正。衷心感谢评阅本论文并提出建设性修改意见的专家学者。诚挚欢迎各位同仁提出宝贵批评、以及更加富有洞见性的意见，共同促进相关主题领域工作的发展。 图文导读 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps3.jpg 图 1. 极端高温环境用材料概览 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps4.jpg 图 2. 复合材料极端环境领域中应用实例 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps5.jpg 图 3 复合材料实验室高温氧化(a)和烧蚀(b试验，以及风洞冲蚀试验(模拟真实的使用环境)(c)(相应的试验装置图见(d)) file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps6.jpg 图 4. (a)复合材料普适防护方法(包括(1)基体改性和(2)高温防护涂层)，(b)有望应用于极端高温环境(例如高温氧化，更剧烈的热冲击，燃烧气体燃烧引起的烧蚀和腐蚀)用碳碳复合材料的微/纳米多尺度增强体。其中红色箭头表示增强碳碳复合材料，黑色箭头表示增韧涂层 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps7.png 图 5. SiCWs增韧多相、多层涂层典型制备示意图 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps8.png 图 6. SiCWs增韧多相、多层涂层(以SiCWs-HfB2-SiC-Si/SiC涂层为例)SEM显微照片：(a)横截面、(b-c)断裂面SiCWs桥接特征、(d)断裂面上SiCWs的拉拔和脱粘特征 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps9.jpg 图 7. 沉积态(a，b)传统ZrC涂层和(c，d)ZrC纳米结构涂层SEM形貌 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps10.png 图 8. 碳纳米管SEM(a，b)和TEM(c，d)形貌 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps11.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps12.png file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps13.png 图 9. 热震循环过程中不同涂层C/C(a)和C/C-ZrC-SiC(b和c)复合材料试样质量损失百分比 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps14.png 图 10. 碳纳米管增韧涂层等温氧化(1473 K/2 h)试验数据汇总 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps15.png 图 11. SiCNW及其增韧涂层试样微结构 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps16.jpg 图 12. SiCNW及其增韧涂层试样微结构，以及相关增韧机理file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps17.jpg 图 13. SiCNW及其增韧涂层试样微结构，以及相关增韧机理 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps18.jpg 图 14. 多孔碳化硅纳米带层表面SEM形貌 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps19.png 图 15. (a)涂层与碳基底之间界面区域SEM断裂形貌；(b，c) 碳化硅纳米带锚固机理的示意图 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps20.jpg 图 16. 热处理温度对SiCNWs形貌的影响 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps21.jpgfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps22.jpg 图 17. SiCNW@PyC结构的透射电子显微镜(TEM)形貌 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps23.png 图 18. C/C-ZrB2-ZrC-SiC基材上SiCNW@PYC核壳结构增韧SAPS-ZrB2-ZrC涂层制备示意图(左)，SiCNW@PYC核壳结构SEM/TEM形貌(右) file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps24.png 图 19. HfC纳米线增韧涂层制备示意图 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps25.jpg 图 20. HfC纳米线微观结构及其成分表征 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps26.jpg 图 21. 引入HfC纳米线前、后涂层烧蚀形貌 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps27.jpg 图 22. 引入HfC纳米线前、后涂层烧蚀过程机制图 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps28.png 图 23. 碳纤维接枝SCNTs(扩散接枝CNTs)(a，c和c的插图)和RCNTs(径向接枝CNTs)(b，d和d的插图)后SEM形貌 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps29.png 图 24. C/C、C/C-Cu和C/C-Cu-CNTs结构示意图(左)、断裂形态(中)以及弯曲应力-应变测试结果 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps30.jpg 图 25. (a)烧蚀装置示意图、(b)烧蚀过程中材料表面温度随烧蚀时间的变化、(c)利用Ansys Fluent软件模拟的烧蚀过程的热流场和(d)速度场对C/Cs表面不同区域形貌的影响 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps31.png 图 26. C/Cs烧蚀行为与EPD时间(min)的关系：(a)烧蚀表面宏观形貌、(b) 样品的线性烧蚀率和质量烧蚀率、(c)烧蚀样品厚度变化图和(d)烧蚀过程横截面变化示意图 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps32.jpg file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps33.jpg Fig 27. 不同基体改性C/Cs的质量(a)和(b)烧蚀率 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps34.png 图 28. 含原位生长SiCNW的短纤维增强碳基复合材料制备(a, b)、形貌(c)及其弯曲试验的应力-应变曲线(d) file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps35.jpg 图 29. 碳纤维布电泳沉积(EPD)SiCNW过程的原理图、碳纤维布层压成型、及其电泳沉积(EPD)前后的SEM形貌 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps36.png 图 30. 氧化后C/C和SiCNWs-C/Cs的SEM形貌 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps37.png 图 31. (SEM显微照片所示)SiCNW结构增强复合材料240 s烧蚀过程中不同增强机理 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps38.jpg 图 32. SiCNWs@PyC-C/C–ZrC–SiC(A)和HfCNWs-C/C(B)复合材料制备工艺示意图 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps39.jpg 图 33. (a，b)GO接枝的CF的TEM图像，以及(c，d)GO接枝的CFs上生长的CNT的TEM图像 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps40.jpg 图 34. 高桂氧纤维铺层结构及其增强复合材料形貌 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps41.png 图 35. 混合热防护材料(TPM)的几何结构及配置 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps42.png 图 36. SiCNWs和CNTs共沉积120s后SEM形貌：(a)横截面、(b)表面、(c)局部放大 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps43.jpg 图 37. (a)SiC涂层C/Cs和(b)SiCNWs和CNTs共沉积SiC涂层C/Cs氧化后的SEM形貌 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps44.png 图 38. SiCNWs增强CBCF复合材料的断裂行为 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps45.png 图 39. 有无碳纤维表面碳纳米片(CNSs)修饰SiCNWs的不同预制件的形态和微观结构 作者学术ID, ORCID Lei Zhou: Scopus Author ID: 56502632900 Jiaping Zhang: Scopus Author ID: 55808800900 Jie Wang: Scopus Author ID: 57200026870 Xianghui Hou: Scopus Author ID: 7201634499 首席作者简介： file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps46.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps47.png付前刚，教授，西北工业大学材料学院党委书记，陕西省纤维增强轻质复合材料主任，陕西省高性能长寿命陶瓷涂层创新团队负责人，陕西省碳/碳复合材料工程中心副主任。兼任中国复合材料常务理事，中国材料研究学会理事，中国材料研究学会青年工作委员会理事，中国硅酸盐学会测试技术分会理事，中国金属学会炭素材料分会委员，中国复合材料学会空天动力复合材料及应用专委会委员；主要从事抗氧化抗烧蚀碳/碳复合材料研究，主持国家自然基金（6项）、国防基础科研等10余项课题。在Adv.Mater., Carbon, J. Eur. Ceram. Soc., Corros. Sci. 等期刊发表SCI收录论文300余篇。授权专利43项。2012年入选首批基金委优青，2013年入选首批中组部万人计划-青拔，2017年入选第三批万人计划-科技创新领军人才，教育部新世纪优秀人才、首批陕西省青年科技新星，博士论文入选全国百篇优博。担任《Journal of Materials Science & Technology》、《中国科学: 技术科学》、《无机材料学报》等五种期刊编委。以第二完成人获国家自然科学二等奖、教育部技术发明一等奖和陕西省科学技术一等奖，获国防科技创新团队奖和陕西省青年科技奖。 李贺军，院士，材料领域专家，杰青，亚太材料科学院院士，材料学院教授，博导。1991年获哈尔滨工业大学塑性加工专业博士学位。2004年起任超高温结构复合材料重点实验室副主任。长期从事碳/碳复合材料、抗氧化/烧蚀涂层、碳纤维增强纸基与金属基复合材料等研究工作。 获国家自然科学二等奖1项，国家技术发明二等奖2项，国家教学成果一等奖1项、二等奖1项，省部级一等奖6项，获日本复合材料学会Hayashi Memorial 国际奖和中国炭素杰出成就奖。获授权发明专利155件，出版专著和教材3部。获全国模范教师、首届全国“最美科技工作者”，陕西省教书育人楷模等荣誉。 期刊介绍： Journal of Materials Science & Technology，简称JMST，创刊于1985年，是中国第一本材料学科英文学术期刊，同Elsevier出版公司合作出版。刊登来自世界各国的具有创新性的高质量学术论文、研究快报、特约综述等，内容覆盖整个材料领域，包括金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。最新SCI影响因子为6.155，位居中国材料综合性学术期刊前列，入选中科院期刊分区1区(Top期刊)，同时，位于SCI冶金类期刊Q1区和材料综合类期刊Q1区。 期刊名称缩写 J Mater Sci Technol 网站https://www.journals.elsevier.com/journal-of-materials-science-and-technology/ 官方网站http://www.jmst.org/EN/volumn/home.shtml 官方微信 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml13444\wps48.jpg
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发表于 2021-4-26 21:53:57
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