2021年山东省自然科学奖申报项目情况公示

2021-01-21 14:50

项目名称:硼化锆超高温陶瓷材料强韧化与抗烧蚀机理研究

提名奖种及等级:山东省自然科学奖( 二等奖)

提名者及提名意见:

该项目基于超高温服役环境对超高温陶瓷材料强韧化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。提出了高韧性层状仿生结构硼化锆基陶瓷设计理论,建立了基于仿生层状结构的硼化锆基超高温陶瓷的裂纹扩展与能量消耗机制,突破超高温陶瓷材料本征脆性这一瓶颈问题,揭示了该材料在超高温服役环境下氧化烧蚀性能的退化规律及抑制方法,获得了层状超高温陶瓷材料复合强韧化与抗烧蚀的理论和方法,为提高超高温陶瓷材料在极端环境和复杂载荷条件下的可靠性和安全性,提供理论和技术支持。5篇代表性论文被SCI他引188次,单篇最高SCI他引76次,被欧洲科学院院士、英国伯明翰大学Jon Binner教授,世界陶瓷科学院院士、日本物质材料研究院Yoshio Sakka教授,美国陶瓷学会主编、密苏里科技大学William G. Fahrenholtz教授,中国工程院院士、西北工业大学李贺军教授等人在包括Progress in Materials ScienceInternational Materials ReviewsActa MaterialiaCarbon等专业刊物上正面引用、评价和跟踪,受到国内外同行的高度评价。该项目研究系统深入,研究成果具有重要的科学意义和创新性。

我单位认真审阅了该项目推荐书及其附件材料,确认真实有效,相关栏目符合填写要求。

按照要求,我单位及完成人所在单位均进行了公示,确认完成人、完成单位排序无异议。特提名该项目申报山东省自然科学奖二等奖。

项目简介:

高性能飞行器正朝着速度更快、航时更长、稳定性更高的方向发展,对热防护材料的服役可靠性和耐温性等提出了越来越高的要求。以超高温陶瓷为代表的热防护材料是航空、航天领域的关键战略材料,但存在结构设计单一、韧化机制匮乏、抗烧蚀差等问题。因此,阐明超高温陶瓷的强韧化与抗烧蚀协同提高机制,是目前航空航天热防护领域亟待解决的重要科学问题。

针对强韧化与抗烧蚀协同提高这一关键科学问题,本项目从材料结构与性能的关系出发,将仿生思想应用于超高温陶瓷材料微观结构设计,系统研究了微纳米增强体、层状结构及界面反应等的作用机理,取得的主要科学发现如下:

(1)揭示了微纳米增强体调控硼化锆陶瓷微观结构和断裂行为的机理,阐明了载荷状态下微纳米增强体的能耗规律,建立了碳纤维增强体高温热应力防护策略,实现了硼化锆陶瓷的低温致密化,从而进一步丰富了超高温陶瓷的晶粒生长与烧结致密化理论。

(2)提出了高韧性层状仿生结构硼化锆基陶瓷设计理论,揭示了不同参数对层状结构陶瓷性能影响规律,建立了基于仿生层状结构的硼化锆基超高温陶瓷的裂纹扩展与能量消耗机制,突破了超高温陶瓷材料本征脆性这一瓶颈问题,实现了面向极端需求硼化锆陶瓷的微观结构控制和服役性能优化。

(3)阐明了基于SiC晶须界面层的层状硼化锆基超高温陶瓷材料的抗烧蚀机制,发现了界面层热物理和热化学调控超高温陶瓷热烧蚀行为的规律,实现了超高温陶瓷材料强韧化与抗烧蚀性能的匹配与协同提高,解决了传统层状陶瓷材料热力耦合环境下容易剥落、抗热冲击和抗烧蚀性能差这一关键难题。

相关成果发表在Corrosion ScienceJournal of the European Ceramic SocietyScripta Materialia等国际期刊上,受到国际同行的关注和认可。其中5篇代表性论文SCI引总数188次,单篇最高SCI他引76次,被欧洲科学院院士、英国伯明翰大学Jon Binner教授,世界陶瓷科学院院士、日本物质材料研究院Yoshio Sakka教授,印度国家科学院院士、印度科技学院Bikramjit Basu教授,美国陶瓷学会主编、密苏里科技大学William G. Fahrenholtz教授,中国工程院院士、西北工业大学李贺军教授,中国科学院院士、北京理工大学方岱宁教授,世界陶瓷科学院院士、航空航天研究院周延春教授等人在包括Progress in Materials ScienceIF: 31.56)、International Materials ReviewsIF: 14.429)、Nano LettersIF: 11.238)、Acta MaterialiaIF: 7.656)、CarbonIF: 8.821)、Corrosion ScienceIF: 6.479)、Composites Part BIF: 7.635)、Materials and DesignIF: 6.289)等专业刊物上正面引用、评价和跟踪。多次受邀在国内重要会议上作邀请报告。项目成果对揭示超高温陶瓷强韧化与抗烧蚀机制具有重要意义,为提高超高温陶瓷材料在极端环境和复杂载荷条件下的可靠性和安全性提供了理论依据和技术支持。

代表性论文专著目录:

[1] Chuncheng Wei*, Xinghong Zhang, Ping Hu, Wenbo Han, Guishan Tian. 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:5.079)  SCI他引26

[2] Ping Hu*, Guolin Wang, Zhi Wang. Oxidation mechanism and resistance of ZrB2–SiC composites. Corrosion Science 2009, 51 (11): 2724-2732.  (IF6.479)  SCI他引76

[3]  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:3.83)  SCI他引12

[4] 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:4.495)  SCI他引69

[5] Lulu Zhang, Chuncheng Wei*, Shuang Li, Guangwu Wen, Yuying Liu, Peng Wang. Mechanical and thermal shock properties of laminated ZrB2-SiC/SiCw ceramics, Ceramics International, 2019, 45: 6503-6508  (IF=3.83) 被引用5

主要完成人情况:

“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,51,博士,副教授,山东理工大学,本项目负责人。提出了本项目的关键学术思想,负责项目的整体设计、组织实施。对重要科学发现1-3均做出了创造性贡献,奠定了课题组在国际国内超高温陶瓷研究领域的重要地位,是代表性论文135的通讯作者。

胡平,52,博士,教授,哈尔滨工业大学,本项目的重要参与者。具体负责超高温陶瓷氧化烧蚀测试和氧化烧蚀机理分析。对重要科学发现12做出了创造性贡献,是代表性论文24的通讯作者,代表性论文1的共同作者。

李双,53,博士,副教授,山东理工大学,本项目的主要参与者。具体负责超高温陶瓷材料室温、高温断裂行为测试,研究不同参数对层状结构陶瓷性能影响规律,断裂机理。对重要科学发现23做出了创造性贡献,代表性论文5的共同作者。

牛金叶,54,硕士,副教授,山东理工大学,本项目的主要参与者。具体负责流延成型工艺制备超薄高韧流延片。通过调控粘结剂、增塑剂、分散剂、固液比、料浆粘度、牵引速率等参数,研究流延成型流延片的控制因素和形成机理,超高温陶瓷氧化烧蚀测试和氧化烧蚀机理分析。对重要科学发现23做出了创造性贡献,代表性论文3的共同作者。

王鹏,55,博士,讲师,山东理工大学,本项目的主要参与者。具体负责超高温陶瓷材料热冲击性能测试,预氧化机理分析,R曲线行为研究。对重要科学发现23做出了创造性贡献,代表性论文5的共同作者。

 

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