2020年山东省自然科学奖申报项目情况公示

2019-12-26 09:56

项目名称:硼化锆超高温陶瓷的强韧化及抗烧蚀机理研究

申报奖种及等级:山东省自然科学奖(三等奖)

提名者及提名意见:

我单位认真审阅了项目提名书及其附件材料,确认全部材料真实有效,确认完成人、完成单位排序无异议,相关栏目符合填写要求。

该项目基于超高温服役环境对超高温陶瓷材料抗热冲击性能及抗氧化烧蚀性能的需求,将仿生思想应用于超高温陶瓷材料微观结构设计,开展仿生层状超高温陶瓷材料的制备,强韧化及抗烧蚀机理研究。率先研发热压烧结制备ZrB2-SiC基超高温陶瓷材料,降低了烧结温度,提高了材料致密性,获得了优异的材料性能;提出了层叠法制备仿生层状硼化锆基超高温陶瓷,陶瓷材料的微观结构达到精确控制,断裂韧性显著提高,材料的安全性和可靠性得到改善;提出了新型SiCw晶须作为界面材料的层状硼化锆基超高温陶瓷,使得层状硼化锆基超高温陶瓷具有优异的韧性和抗烧蚀性能,实现了超高温陶瓷材料复合强韧化与抗氧化性能的协同与匹配。
    8篇代表性论文他引总数305次,被SCI他引206次,包括International Materials Reviews、Corrosion Science、Carbon、Materials and Design等专业刊物,单篇最高SCI他引71次,受到国内外同行的高度评价。

 对照山东省自然科学奖受奖条件,推荐申报2020年度山东省自然科学奖叁等奖。

 

项目简介:

随着新型高超声速飞行器的跨越式发展,其高速长航时飞行带来的气动热和气动载荷急剧增加,同时面临大温度梯度、高动压、气氛中氧含量高等情况。高马赫长时间飞行和强氧化的服役条件造成气动环境恶劣,总加热量大,局部区域最高温度超过2000℃,特别是迎风面端头、前缘等部位,承受了较大的热冲击。这对防热材料提出了新的挑战,要求材料能够长时间保持优异的耐高温、抗氧化性能,并具有较高的强度和韧性。但现有的超高温材料存在着高温氧化环境下强度下降和韧性低(KIC大约46MPa·m1/2)等问题,无法满足新型飞行器对防热材料提出的高强高韧的综合要求。如何同时实现超高温陶瓷的强韧化与抗烧蚀,是国内外科研工作者亟待解决的难点和重点。

本课题来源于国家自然科学基金青年基金、山东省属高校优秀青年人才联合科学基金(省属优青)、山东省自然科学基金面上项目等的资助,一直致力于硼化锆基超高温陶瓷的强韧化及抗烧蚀机理研究。主要研究内容如下:

(1)率先研发热压烧结制备ZrB2-SiC基超高温陶瓷材料,降低了烧结温度,提高了材料致密性,获得了优异的材料性能。

(2)发明了流延法制备仿生层状硼化锆基超高温陶瓷,陶瓷材料的微观结构达到精确控制,断裂韧性显著提高,材料的安全性和可靠性得到改善。研究发现了预氧化有利于层状陶瓷的弯曲强度和断裂韧性的提高;研究发现了层状陶瓷的垂直方向与平行方向均呈现上升的R曲线行为;研究发现了层状陶瓷的垂直方向比水平方向具有更好的抗烧蚀性能。

(3)首创了SiC晶须作为界面材料的层状硼化锆基超高温陶瓷材料,使得层状硼化锆基超高温陶瓷具有优异的韧性和抗烧蚀性能,实现了超高温陶瓷材料复合强韧化与抗氧化性能的协同与匹配。

相关成果发表在Corrosion Science、Journal of the European Ceramic Society、Scripta Mater. 、Journal of Alloys and Compounds等等国际期刊上,所取得的成果受到国际同行的关注和认可。其中8篇代表性论文他引总数523次,被SCI他引206次,被欧洲科学院院士,英国伯明翰大学Jon Binner教授、中国工程院院士,西北工业大学李贺军教授、印度国防部材料标准化小组委员会专家,印度理工学院Kantesh Balani教授在包括International Materials Reviews 、Corrosion Science、Carbon、Materials and Design等专业刊物上正面引用、评价和跟踪,单篇最高SCI他引71次。多次受邀在国内重要会议作邀请报告。

 

项目客观评价:

本推荐书提供的8篇代表性论文发表在Corrosion Science(IF:6.355,一区)、Journal of the European Ceramic Society(IF:4.029,一区)、Scripta Mater.(IF:4.539,二区)等国际期刊上,所取得的成果受到国际同行的关注和认可。引用期刊包括International Materials Reviews(IF:21.086,一区)、Carbon(IF:7.466,一区)、Corrosion Science(IF:6.355,一区)等材料著名期刊。他引总数305次,SCI他引206次。

以下是部分国内外同行评价:

代表论文1西北工业大学李贺军,国家杰青,亚太材料科学院院士,中国工程院院士。在“Corrosion Science”论文中根据我们的结论“添加SiC可以促进硅酸盐玻璃的形成,而提高ZrB2高温抗氧化性”(The addition of with volume fraction of 10–30% increases the oxidation resistance of ZrB2 by promoting the formation of silicate-based glasses that inhibit oxidation at high temperatures)来设计其实验。印度理工学院Kantesh Balani,获得印度国家科学院青年科学家白金Jubilee奖,印度国家科学院青年工程师奖,印度国家工程院青年工程师奖,国防部材料标准化小组委员会专家。在“Carbon” 发表的文章中认可了我们研究ZrB2-20 vol%SiC复合材料高温性能的工作。

代表论文2中国科学院上海硅酸盐研究所张国军,中科院百人、上海市浦江人才。在“Scripta Materialia” 发表的文章中认可了我们引入弱界面层制备层状陶瓷提高韧性的工作。西北工业大学成来飞教授,国家杰青,教育部超高温结构复合材料创新团队带头人,超高温结构复合材料国防科技实验室主任。在“Corrosion Science” 发表的文章中(Ceramics with laminated structures have been considered as one simple and effective approach that can improve toughness and achieve full density.)也认可了我们的研究工作。

代表论文3英国伯明翰大学Jon Binner教授,欧洲科学院院士、欧洲陶瓷学会主席、美国陶瓷学会会士。在“International Materials Reviews” 发表的文章中对我们发现超高温陶瓷材料的高温强度与晶界相有关; 晶界相相的软化会导致高温强度降低的工作进行了肯定。

代表论文4西北工业大学付前刚,凝固技术国家重点实验室副主任,万人计划人才、科技部中青年领军人才、国家优青、教育部新世纪优秀人才。在“Materials and Design” 发表的文章中肯定了我们对超高温涂层的研究工作。

代表论文7西北工业大学成来飞教授,在“Journal of Alloys and Compounds” 发表的文章中对我们进行层状超高温陶瓷不同方向R曲线的研究工作进行了肯定,认可层状陶瓷可以改善超高温陶瓷的可靠性和安全性。

代表论文8重庆大学李卫国教授,教育部新世纪优秀人才。在“Composite Structures” 发表的文章中对我们通过流延成型和热压烧结的方法制备ZrB2基复合材料的高韧性进行了进行了较大篇幅的引用和评述。

 

代表性论文专著目录:

[1] Ping Hu*, Guolin Wang, Zhi Wang. Oxidation mechanism and resistance of ZrB2–SiC composites. Corrosion Science 2009, 51 (11): 2724-2732.  (IF:6.355,一区)  SCI他引71次

[2] Chuncheng Wei*, Xinghong Zhang, Ping Hu. The fabrication and mechanical properties of bionic laminated ZrB2-SiC/BN ceramic prepared by tape casting and hot pressing. Scripta Mater 2011, 65: 791–794.  (IF:4.539,二区)  SCI他引26次

[3] Ping Hu*, Zhi Wang. Flexural strength and fracture behavior of ZrB2–SiC ultra-high temperature ceramic composites at 1800° C. Journal of the European Ceramic Society 2010, 30(4), 1021-1026.  (IF:4.029,二区)  SCI他引65次

[4] Peng Wang*, Shanbao Zhou, Ping Hu, Guiqing Chen, Xinghong Zhang, Wenbo Han. Ablation resistance of ZrB2-SiC/SiC coating prepared by pack cementation for graphite. Journal of Alloys and Compounds 2016, 682: 203-207.  (IF:4.175,二区)  SCI他引18次

[5]  Chuncheng Wei*, Xinchao Liu, Jinye Niu, Liu Feng, Hongzhi Yue. High temperature mechanical properties of laminated ZrB2–SiC based ceramics. Ceramics International 2016, 42(16): 18148-18153.  (IF:3.45,二区)  SCI他引8次

 [6]  Chuncheng Wei*, Changxin Yu, Xinchao Liu, Wenyi Ji, Jinye Niu, Liu Feng. Oxidation resistance and strength retention of laminated G/ZrB2–SiC ceramics. Ceramics International 2017, 43(16): 14493–14498.  (IF:3.45,二区)  SCI他引5次

 [7] Xinchao Liu, Chuncheng Wei*, Liu Feng, Jinye Niu, Zanzhong Yang. R-curve behavior of laminated ZrB2-SiC/Graphite ceramics in two different directions. Ceramics International 2017, 43(8): 6612-6617.  (IF:3.45,二区)  SCI他引6次

 [8] Chuncheng Wei*, Changshou Ye. Mechanical properties and thermal shock behavior of bionic laminated ZrB2-SiC–G ceramics. Int. J. Refract. Met. Hard Mater 2015, 51(7):233–238.  (IF:3.45,二区)  SCI他引7次

 

全部完成人情况:

“主要完成人情况”摘自“主要完成人情况表”中的部分内容,公示姓名、排名、行政职务、技术职称、工作单位、完成单位、对本项目贡献。

魏春城,山东理工大学

胡平,哈尔滨工业大学

牛金叶,山东理工大学

王鹏,山东理工大学

 

完成人合作关系说明:

魏春城:山东理工大学副教授,工学博士,2009-2013年师从哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所所长,国家杰出青年基金获得者,教育部长江学者,张幸红教授。主持完成国家军工子课题2项,山东省属高校优秀青年人才联合科学基金(省属优青)1项,山东省高等学校科技计划项目1项;现主持在研国家自然基金面上项目1项,山东省自然基金面上项目1项。2009年至今一直与哈尔滨工业大学密切合作,共同在超高温陶瓷材料领域开展研究工作。基于本项目在Scripta Mater.,Ceramics International,Int. J. Refract. Met. Hard Mater,发表5篇达标性论文。

胡平:哈尔滨工业大学航天学院教授,博士生导师。师从中国科学院院士、哈尔滨工业大学韩杰才教授。长期从事高温防热材料的制备、表征与评价工作,尤其在超高温陶瓷材料高温氧化烧蚀行为及机制方面开展了大量的应用基础研究工作。基于本项目在Corrosion Science,Journal of the European Ceramic Society,Journal of Alloys and Compounds,发表3篇达标性论文。

牛金叶:理学在读博士,讲师。师从973计划首席科学家、国家杰出青年科学基金获得者、山东师范大学唐波教授,长期从事超高温陶瓷材料分析测试,氧化烧蚀机理分析研究工作。基于本项目参与发表3篇达标性论文。

王鹏:山东理工大学讲师,工学博士,2012 -2016年师从哈尔滨工业大学韩文波教授。长期从事耐烧蚀抗氧化复合涂层制备及性能研究,ZrB2基陶瓷材料电学性能及其热电偶元件的研究。基于本项目在Journal of Alloys and Compounds,发表1篇达标性论文。

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