超高强度陶瓷材料可耐2000℃高温

能源
2024 01-15 10:26:52

华南理工大学材料科学与工程学院褚衍辉研究团队通过多尺度结构设计,成功制备了兼具超强力学强度和高隔热性的高熵多孔硼化物陶瓷材料。同时,该材料还展现出了2000℃高温稳定性。相关研究成果近日刊发于国际期刊《先进材料》。

随着飞行速度的不断提升,新一代高超声速飞行器对隔热材料的力学强度、热导率和耐温性提出了更严苛的要求。兼具优异力学强度及隔热属性的多孔陶瓷材料一直是科学家的追求目标,然而,这两种属性在一定程度上是相互制约的。

“如果通过简单降低多孔陶瓷的相对密度,可显著提高材料的隔热性能,但这往往会导致材料力学强度大幅下降。同时,传统多孔陶瓷材料耐温性能普遍低于1500℃,高温服役过程中常面临着体积收缩、力学性能衰减等问题。”褚衍辉介绍。

研究团队制备出的这种高熵多孔硼化物陶瓷材料,其优异性能源于“三大法宝”,即微观尺度上构筑的超细孔、纳米尺度上强晶间界面结合,以及原子尺度上严重晶格畸变。

据介绍,在微米尺度上,团队通过超高温快速合成技术在数十秒内完成烧结,抑制晶粒生长,进而在材料内构筑均匀分布的亚微米级超细孔隙。在纳米尺度上,团队通过进一步固溶反应,建立晶粒之间强界面结合。在原子尺度上,团队通过引入9元阳离子严重晶格畸变,提高晶格内部的应力场和质量场波动,提高硼化物的本征力学强度。

在力学性能测试中,该高熵多孔陶瓷材料展现出了出色的高温压缩强度、优异的高温隔热性能和热稳定性,在航空航天、能源化工领域将有广阔的应用前景。


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