2022年山东省自然科学奖申报项目情况公示

2022-02-18 11:02

项目名称:硼化锆基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:

硼化锆基超高温陶瓷是高超声速飞行器防热材料的首选,研发新型强韧化、抗烧蚀硼化锆陶瓷是目前国内外研究的热点。本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,开展了仿生层状硼化锆超高温陶瓷材料的制备研究,突破了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,建立了超高温陶瓷材料复合强韧化与抗烧蚀的协同提高机制,从而为超高温陶瓷材料在极端环境和复杂载荷条件下的服役奠定了理论基础。

5篇代表性论文被SCI他引257次,单篇最高SCI他引108次,欧洲科学院院士、英国伯明翰大学Jon Binner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等人在包括Progress in Materials ScienceInternational Materials ReviewsComposites Part B Acta Materialia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。授权发明专利11项,相关成果在山东工业陶瓷研究设计院有限公司进行了实施,材料表现出良好的高温抗氧化烧蚀性能。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。以硼化锆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,但硼化锆陶瓷存在烧结温度高、韧化机制匮乏、抗烧蚀性差等问题。因此,阐明硼化锆陶瓷致密化机制并实现低温烧结,揭示超高温陶瓷的强韧化与抗烧蚀机理,是目前航空航天热防护领域亟待解决的重要科学问题。

针对硼化锆基超高温陶瓷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)发现了硼化锆陶瓷的低温致密化规律,进一步丰富了超高温陶瓷的晶粒生长与致密化理论,揭示了微纳米增强体对硼化锆基超高温陶瓷微观结构和断裂行为的作用机理,阐明了高温服役环境下微纳米增强体的能耗规律。

2提出了高韧性仿生层状结构硼化锆基陶瓷设计理论,明确了流延叠层参数对层状陶瓷结构与性能的作用规律,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,从而突破了超高温陶瓷材料本征脆性这一瓶颈问题。

3)阐明了基于SiC晶须界面层的层状硼化锆陶瓷抗烧蚀机制,发现了SiC界面层热物理和热化学效应对烧蚀行为的作用规律,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,突破了传统层状陶瓷材料热力环境下容易剥落、抗热冲击和抗烧蚀性能差的难题。

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篇代表性论文被SCI他引257次,单篇最高SCI他引108次,欧洲科学院院士、英国伯明翰大学Jon Binner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等人在包括Progress in Materials ScienceInternational Materials ReviewsComposites Part B Acta Materialia等专业刊物上正面引用、评价和跟踪。授权发明专利11项,相关成果在山东工业陶瓷研究设计院有限公司进行了实施,材料表现出良好的高温抗氧化烧蚀性能。本研究的开展,培养硕士研究生12人,博士研究生3人,入选教育部长江学者奖励计划青年学者1人。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。

以此为基础,在国家自然基金面上项目(5187217451872059)、国家自然基金青年基金(51802176)、山东省重点研发计划(2019JMRH0213)、山东省自然科学基金面上项目(ZR2020ME027)的支持下,继续开展了硼化锆基超高温陶瓷结构设计、烧结机理及工程应用等相关研究。

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. 

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

[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.  

[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.

[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.

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,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,5排2,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1、2做出了创造性贡献,是代表性论文2、4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。

王鹏,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5的共同作者

乐红志,55,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3的共同作者

主要完成单位情况:

山东理工大学:项目第一完成单位

项目负责单位,全面负责项目的实施和研究工作,主要学术贡献包括:

1)发现了硼化锆陶瓷的低温致密化规律,进一步丰富了超高温陶瓷的晶粒生长与致密化理论,揭示了微纳米增强体对硼化锆基超高温陶瓷微观结构和断裂行为的作用机理,阐明了高温服役环境下微纳米增强体的能耗规律。

2)提出了高韧性仿生层状结构硼化锆基陶瓷设计理论,明确了流延叠层参数对层状陶瓷结构与性能的作用规律,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,从而突破了超高温陶瓷材料本征脆性这一瓶颈问题。

3)阐明了基于SiC晶须界面层的层状硼化锆陶瓷抗烧蚀机制,发现了SiC界面层热物理和热化学效应对烧蚀行为的作用规律,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,突破了传统层状陶瓷材料热力环境下容易剥落、抗热冲击和抗烧蚀性能差的难题。

4)推动了研究成果在山东工业陶瓷研究设计院有限公司进行了实施,材料表现出良好的高温抗氧化烧蚀性能。

哈尔滨工业大学:项目第二完成单位

项目参与单位,全面参与了项目的相关研究工作,主要学术贡献包括:

1)主持开展了热压烧结制备ZrB2-SiC基超高温陶瓷材料的工艺研究,发展了高致密度、细晶粒、高模数ZrB2陶瓷致密化-晶粒生长理论与烧结技术,解决了纯ZrB2难烧结、高温抗氧化性差的难题,使硼化锆陶瓷的烧结温度降低200 ℃,致密度达到99%

2)提出纳米ZrB2粉体制备碳纤维增韧超高温陶瓷复合材料,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。

3)发明了流延叠层法制备仿生层状硼化锆基超高温陶瓷材料新工艺,实现了对陶瓷材料的微观结构的精确控制,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。

4)揭示了氧化处理对层状陶瓷热应力、晶界相以及断裂行为的作用规律。发现了层状陶瓷中硼化锆和碳化硅经氧化后,在材料表面产生玻璃相,揭示了玻璃相的组成、分布等对表面微缺陷的弥合机制。