陶瓷, 作为人类文明史上具有里程碑意义的人工合成材料, 不仅承载着中华民族的骄傲, 更是中华民族智慧和创新精神的集中体现。经过数千年的沉淀与演化, 陶瓷已发展成为一个博大精深、丰富多彩的材料体系。传统陶瓷与先进陶瓷交相辉映, 共同构筑起人类文明的物质基石。其中, 先进结构陶瓷更是以其耐高温、抗腐蚀以及优异的力学性能等特性, 在金属材料和高分子材料难以承受的高温、腐蚀等极端环境中展现出独特的优势, 成为现代科技文明中不可或缺的关键材料。而陶瓷基复合材料不仅继承了结构陶瓷的诸多优良特性, 而且克服了其脆性问题, 因此在全球范围内受到广泛关注。在航空航天、交通运输和先进核能等领域, 陶瓷基复合材料发挥着举足轻重的作用, 为推动科技进步贡献了重要力量。
在20世纪80年代, 结构陶瓷发展达到了高峰, 诞生了如陶瓷发动机、碳石英烧蚀材料、高性能陶瓷刀具等一系列重大科技成果, 但由于材料制备和加工技术的限制, 以及产业需求驱动力的减弱, 结构陶瓷的后期发展逐渐放缓。然而, 仍有一大批科研工作者坚守在这个领域, 通过不懈努力开发出性能卓越的新型结构陶瓷材料, 他们的研究极大地拓宽了现代结构陶瓷的应用范围, 使得陶瓷这一古老而又充满活力的材料在现代科技文明中绽放出更加夺目的光芒。
受《无机材料学报》编辑部的邀请, 我们组织编撰了“结构陶瓷前沿”专辑, 特别邀请到来自西北工业大学、武汉理工大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、北京航空航天大学、国防科技大学、吉林大学、东北大学、郑州大学、长安大学、中国科学院金属研究所和中国科学院上海硅酸盐研究所等单位的国内知名研究团体, 共同分享在结构陶瓷领域的最新研究成果和应用案例。专辑内容丰富, 涵盖结构陶瓷及陶瓷基复合材料的设计与制备, 科学、新型结构陶瓷材料的研发和应用, 以及结构陶瓷的性能评价、仿真模拟和损伤机理等方面。
我们期望, 本专辑能够帮助科研人员更深入地理解结构陶瓷的内涵, 成为他们了解该领域最新发展动态的窗口, 并积极推动结构陶瓷材料发展和学科进步。最后, 衷心感谢各位专家在百忙之中为本专辑撰稿, 是他们的辛勤付出和大力支持使得本专辑得以顺利出版。

随着高速飞行器朝着更宽空域、更长时间和更高速度的方向发展, 对飞行器的鼻锥、前缘和发动机燃烧室等关键结构的热防护性能提出了更加严苛的要求, 发展在极端环境下使用的高性能热防护材料是当前的研究重点。超高温陶瓷复合材料具有优异的抗氧化烧蚀性能, 是一类极具应用潜力的非烧蚀型热防护材料。然而, 本征脆性问题限制了超高温陶瓷复合材料的工程化应用, 需通过组分结构调控对其进行强韧化。同时, 飞行器有效载荷提升也对超高温陶瓷复合材料提出了轻量化的要求。本文系统概述了超高温陶瓷复合材料近年来取得的主要研究进展, 包括压力烧结、泥浆浸渍、前驱体浸渍裂解、反应熔渗、化学气相渗透/沉积与“固-液”组合工艺等制备方法, 颗粒、晶须、软相物质、短切纤维和连续纤维等强韧化方法及其机制, 抗氧化烧蚀性能与机理, 以及轻量化设计等。讨论了超高温陶瓷复合材料组分、微结构和性能之间的关系, 并指出了超高温陶瓷复合材料目前存在的挑战以及未来的发展趋势。

高速飞行技术的发展对高性能热结构材料提出了迫切需求。高熵碳化物(HECs)陶瓷作为近年来发展迅速的一类新型材料, 兼具高熵陶瓷与超高温陶瓷的优良特性, 在极端服役环境中具有广阔的应用前景, 因此得到国内外学者的广泛关注。相比仅含有一种或两种过渡金属元素的传统超高温碳化物陶瓷, HECs综合性能有所提升, 且具有更强的组成和性能可设计性, 因此具备较大的发展潜力。经过对HECs的不断探索, 研究人员获得了许多有趣的结果, 开发了多种HECs的制备方法, 对HECs的显微结构和性能的认识也更加深入。本文综述了HECs的基本理论以及从实验过程中获得的规律; 对HECs粉体、HECs块体、HECs涂层及薄膜, 以及纤维增强HECs基复合材料的制备方法进行了梳理和归纳; 并对HECs的力学、热学等性能, 尤其是与高温应用相关的抗氧化、抗烧蚀性能的研究进展进行了综述和讨论。最后, 针对HECs研究中有待进一步完善的科学问题, 对HECs的未来发展提出了展望。

连续SiC纤维增强SiC(SiC_f/SiC)复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐辐照等优点, 在先进航空发动机热端部件和核反应堆包壳等领域具有广阔的应用前景。SiC_f/SiC复合材料具有纤维、界面、基体等复杂的多尺度结构, 其服役环境苛刻、损伤失效过程复杂, 深刻理解与准确分析其在近服役环境下损伤失效模式对于材料和构件的可靠服役具有重要意义。传统的“事后分析”方法无法获取材料在复杂服役环境下的损伤失效过程数据, 因此迫切需要发展面向高温服役环境的复合材料原位表征测试技术。本文介绍了基于扫描电子显微镜、数字图像相关、显微计算机断层扫描、声发射、电阻等原位监测方法的基本原理、优势与局限性, 重点讨论了以上各种原位监测方法及多种原位监测方法联用在SiC_f/SiC复合材料高温环境力学表征中的最新研究进展。最后, 总结了SiC_f/SiC复合材料高温环境原位监测技术存在的挑战, 并对多种原位技术联用、太赫兹辐射等新型检测技术、复杂构件的损伤原位监测方法等未来发展方向进行了初步展望。

连续纤维增强陶瓷基复合材料具有高强韧、耐氧化的特性, 现已成为航空航天领域重要的高温结构候选材料。反应熔渗法可实现陶瓷基复合材料的大规模、短周期和低成本制备, 是目前最具有商业化前景的技术之一。然而, 传统反应熔渗法制得陶瓷基复合材料存在着基体碳残留、纤维刻蚀等问题, 导致材料力学与氧化-烧蚀性能不佳。为突破传统碳基体陶瓷化程度低的局限性, 相关研究人员采用碳基体孔结构构筑方法, 通过多孔碳基体取代传统熔渗预制体中致密碳基体, 以促进碳基体的陶瓷化转变及反应熔体的消耗, 进而实现陶瓷基复合材料的性能优化。本综述介绍了采用多孔碳陶瓷化策略制备SiC陶瓷、SiC/SiC复合材料、C/SiC复合材料及超高温陶瓷基复合材料的相关研究进展, 并且通过与传统反应熔渗法对比, 验证了多孔碳陶瓷化策略的优势, 同时总结了相关多孔碳基体制备方法的发展演变过程, 最后针对先进陶瓷基复合材料的基础理论与工艺技术需求, 对多孔碳陶瓷化改进反应熔渗法的未来发展方向进行了展望。

功率半导体器件高电压、大电流、高功率密度的发展趋势, 对器件中陶瓷基板的散热能力和可靠性提出了更高的要求, 兼具高热导率和优异力学性能的氮化硅陶瓷作为功率半导体器件的首选散热基板材料受到了广泛关注。目前氮化硅陶瓷热导率的实验值与理论值存在较大差距, 高温、长时间保温的制备条件不仅会使晶粒过分长大，削弱其力学性能, 而且会造成成本高企, 限制了其规模化应用。晶格氧缺陷是影响氮化硅陶瓷热导率的主要因素, 通过筛选非氧化物烧结助剂降低体系中的氧含量, 调节液相的组成和性质并构建“富氮-缺氧”的液相, 调控液相中的溶解析出过程, 促进氮化硅陶瓷晶格氧的移除及双峰形貌的充分发育, 从而实现氮化硅陶瓷热导率-力学性能的协同优化是目前研究的热点。本文基于元素分类综述了当前国内外开发的非氧化物烧结助剂体系, 着重从液相调节和微观形貌调控的角度介绍了非氧化物烧结助剂改善氮化硅陶瓷热导率的作用机理, 分析了晶粒发育、形貌演变规律和晶格氧移除机制, 并展望了高导热氮化硅陶瓷的未来发展前景。

陶瓷基复合材料与环境障碍涂层组合(CMC-EBC)是目前航空航天领域最具应用前景的热结构材料体系。本文对CMC-EBC失效机理与分析模型的研究进展进行综述。首先, 简要回顾了CMC-EBC材料体系的发展及主要制备工艺。然后, 综述了CMC-EBC在服役环境下的主要损伤模式与失效机理, 总结发现CMC预制体结构、孔洞缺陷和EBC内裂纹等损伤演化相互影响, 这种细观损伤模式的耦合是决定其寿命的关键因素之一, 但目前的机理研究主要集中于涂层本身性能及其受环境因素的影响, 缺乏对涂层和复合材料编制结构在损伤演化过程中协同效应的考虑。接下来, 详细分析了CMC-EBC的失效模拟与预测模型研究的历史与现状, 指出其中存在的问题, 包括环境因素建模方法和损伤耦合演化模拟技术。目前大部分工作致力于分别开发CMC和EBC的失效模型, 而对于CMC-EBC构件的失效预测应考虑其损伤演化与微观结构之间的相互耦合影响。最后, 对CMC-EBC材料体系研发与服役性能预测方法进行了展望, 认为CMC本体和EBC失效模式相互耦合, 开展结构功能一体化设计和分析是CMC-EBC构件研究的趋势。

高性能结构材料部件在航空航天、交通汽车、电子信息、冶金等领域具有重要的应用价值, 得到了广泛研究。增强结构材料部件整体性能的方法主要包括材料本征性能提升和结构复合设计优化, 但提高单一结构材料的本征力学性能的研究已接近极限。本研究旨在提出周期序构结构材料的理念, 并采用一体化烧结制备出整体性能更好的结构复合材料, 从而探索高性能结构复合材料发展的新范式。通过周期序构化的设计, 构建了兼具陶瓷高硬度和金属强韧性的TiB-Ti功能单元, 设计制备了不同周期序构模式的TiB-Ti高性能结构复合材料。在此基础上, 对这些结构进行了力学性能研究, 并通过分析其断裂模式来探究不同序构模式对材料整体性能的影响。结果表明, 周期序构化可以通过改变材料宏观断裂模式和应力分散特性来提高材料的整体性能。这一研究新范式对其他结构复合材料的结构设计和性能突破具有指导和借鉴意义。对周期序构模式的复杂化探索, 对周期序构结构材料的应用场景探索和其他性能测试研究也将是未来需要重点关注的问题。

探索能够有效抵抗1300 ℃及以上温度钙镁铝硅酸盐(Calcium-Magnesium-Aluminum-Silicate, CMAS)腐蚀的新材料是近年来先进航空发动机用环境障涂层研究的重点任务。本工作围绕具有超强CMAS腐蚀抗力的YAG(Y₃Al₅O₁₂)/Al₂O₃体系, 采用大气等离子喷涂(Atmospheric Plasma Spraying, APS)技术制备了具有共晶成分的YAG/Al₂O₃涂层。通过在1100、1300和1500 ℃对制备态涂层进行热处理, 获得了具有不同微观结构的YAG/Al₂O₃涂层。利用不同表征手段研究了YAG/Al₂O₃涂层抵抗1300 ℃ CMAS腐蚀的性能及微观结构对涂层腐蚀抗性的影响。研究结果发现, 经不同温度热处理的YAG/Al₂O₃涂层与CMAS的反应产物均为石榴石结构固溶体、CaAl₂Si₂O₈和Ca₂MgSi₂O₇。腐蚀机制研究发现, 1100 ℃热处理YAG/Al₂O₃涂层与CMAS反应界面的近连续分布石榴石固溶体层可有效阻隔CMAS腐蚀元素的扩散; 1500 ℃热处理YAG/Al₂O₃涂层晶粒尺寸的增加及晶界数量的减少可降低涂层材料在CMAS中的溶解速率, 二者均可通过影响腐蚀过程中的离子传输速率而影响各生成物的竞争析出, 进而提升涂层的CMAS腐蚀抗力。本工作为YAG/Al₂O₃涂层热处理工艺优化提供了借鉴, 并为通过微观结构优化调控YAG/Al₂O₃涂层的CMAS腐蚀抗力提供了新思路。

聚合物转化SiCN陶瓷得益于质量轻和热膨胀系数低等优势, 在电磁波吸收领域受到广泛关注。由于电磁损耗机制单一及耐温性不足, SiCN陶瓷的吸波性能有待进一步提高, 借助多组元协同作用增强吸波性能是可行的途径之一。本工作对聚氮硅烷结合不同化合物进行单源化改性得到SiHfCN、SiHfCN-C、SiHfCN-B和SiHfCN-N等四种纳米陶瓷。结果表明：SiHfCN中由于Hf源的含氧量高达13.5%(质量分数), 生成HfO₂和SiO₂, 使其最低反射损耗(Reflection loss, RL_min)仅为-13.8 dB, 有效吸收带宽(Effective absorption bandwidth, EAB)仅为0.42 GHz。相比于SiHfCN, 含Hf聚合物分别与C源、B源和N源共改性增加了聚合物转化陶瓷的界面和导电相, SiHfCN-C、SiHfCN-B和SiHfCN-N的介电常数实部和虚部分别提高了1.4~1.8和2.7~3.9倍, RL_min分别为-50.6、-57.3和-63.5 dB, EAB分别为3.53、3.99和4.01 GHz, 吸波性能得到了显著改善。SiHfCN-C中大量的自由碳抑制了HfO₂的生成, 增强了电导损耗。SiHfCN-B中生成了B-N和B-C键, 且析出的纳米棒状HfSiO₄提供了更多的异质界面, 增强了极化损耗。SiHfCN-N中因引入大量N使N-C键数量增加, 强化了偶极子极化损耗, 同时生成纳米碳片, 不仅可以增强电导损耗, 而且提供大量界面, 改善了阻抗匹配并增强了界面极化, 因而SiHfCN-N具有最佳的吸波性能。

Y₂O₃以其优良的物理化学性质和在280 nm~8 μm宽频段内的高透明性, 而广泛应用于激光介质或光学窗口等领域。制备高透明的Y₂O₃陶瓷是目前的研究热点和难点, 而高质量的粉体是制备高透明Y₂O₃陶瓷的关键, 尿素均相沉淀法以其爆发成核和均匀可控的阴离子释放机制成为制备单分散颗粒的主要方法。本工作以硝酸钇和尿素为原料, 采用尿素均相沉淀法制备了单分散、亚微米级的球形Y₂O₃粉体。采用不同方法研究了Y₂O₃前驱体和煅烧后粉体的结构、物相演变和形貌。前驱体的颗粒尺寸约为330 nm, 800 ℃煅烧2 h得到的Y₂O₃粉体尺寸约为260 nm。在800 ℃煅烧后即可得到纯相的Y₂O₃粉体, 粉体呈球形, 分散性好, 且粒径均匀。以该Y₂O₃粉体为原料, 添加原子分数0.3%的Nb₂O₅为烧结助剂, 在1780 ℃通过真空无压烧结成功制备了透明Y₂O₃陶瓷。材料的光学性质优良, 即样品(厚度1 mm)的直线透过率在1100 nm处达到76.9%, 在400 nm处达到65.6%。本工作为制备性能优良的Y₂O₃透明陶瓷提供了一种新的方法。

新型高熵硼化物陶瓷具有优异的高温稳定性、低热导率等优点, 在高温热防护领域具有广阔的应用前景。本研究采用硼/碳热还原法结合热压烧结技术在1900 ℃下制备了(Ti_0.25Zr_0.25Hf_0.25Ta_0.25)B₂-B₄C高熵硼化物陶瓷, 并研究了B₄C第二相含量对其力学及抗氧化性能的影响规律。结果表明, B₄C均匀分布在高熵基体中, 有效改善了高熵陶瓷的相对密度和力学性能。当B₄C体积分数为20%时, 复相陶瓷的抗弯强度、断裂韧性以及维氏硬度均达到最高, 分别为(570.0±27.6) MPa、(5.58±0.36) MPa·m^1/2和(24.6±1.1) GPa。微观结构分析表明, B₄C能够钉扎晶界、细化晶粒, 并能够引入裂纹偏转、分支等增韧机制, 最终实现复相陶瓷的强化及韧化。此外, 利用静态氧化实验, 揭示了B₄C含量对复相陶瓷800~1400 ℃抗氧化性能的影响。当B₄C体积分数不小于20%时, 其氧化生成的玻璃相B₂O₃能够均匀包裹(Zr, Hf)O₂、TiO_x及Ta₂O₅等高熵基体对应的氧化物, 从而在陶瓷表面形成均匀致密的氧化层, 抑制氧向基体内部扩散, 降低氧化层厚度并提升复相陶瓷的抗氧化性能。本工作能够为高熵硼化物陶瓷的力学及抗氧化性能研究提供实验依据和数据支撑。

碳化硼性能优良, 应用广泛, 但制备成本较高。为了从源头解决碳化硼陶瓷材料制备成本高的问题, 本工作直接以碳热还原法合成的碳化硼-C复合粉体为原料, 无需进行破碎提纯, 通过渗硅反应烧结制备碳化硼复合材料, 所得材料性能与以市售碳化硼粉体为原料制备的材料性能相当, 有效降低了其制备成本。主要研究了原料碳硼摩尔比对合成粉体以及碳化硼复合材料物相、显微组织和性能的影响, 并探讨了碳化硼陶瓷复合材料的强韧化机理。结果表明: 随着碳硼摩尔比增加, 合成粉体中碳化硼粉体的碳硼原子比增加, 且合成粉体中游离C含量增加; 当碳硼摩尔比为2.01时, 游离C包覆在碳化硼粉体颗粒表面。复合材料相组成均为B₁₂(C,Si,B)₃、SiC和Si, 随着碳硼摩尔比的增加, 复合材料中碳化硼和游离Si含量降低, SiC含量、大尺寸SiC区域的尺寸、大尺寸SiC区域和纳米SiC颗粒的数量均增加。大尺寸SiC区域的产生会降低材料的强度和韧性, 而SiC纳米颗粒的形成有利于提高材料的强度和韧性。当碳硼摩尔比为1.35时, 复合材料的抗弯强度和断裂韧性最高, 分别为338 MPa和4.06 MPa∙m^1/2。

高熵过渡金属氮化物(HENs)具有热稳定性, 抗腐蚀、抗氧化性以及优异的力学性质, 可用作结构部件及运动部件的表面防护薄膜。然而, 受HENs组元多样性的影响, 宽泛可调的金属组分与HENs力学性质之间的映射关系相当复杂。本工作以(NbMoTaW)N_x薄膜为研究对象, 基于磁控溅射方法调节薄膜生长过程中氮气流量, 制备了不同氮含量的(NbMoTaW)N_x (x = 0, 0.59, 0.80, 0.95)薄膜, 研究了(NbMoTaW)N_x薄膜的成分、结构、形貌与性能, 并对薄膜力学性质的主要影响机制进行了系统探究。结果表明, 通过调节氮空位, 实现了对氮原子及金属原子亚晶格畸变度的协同调控, 得益于氮原子和金属原子亚晶格的高畸变度, (NbMoTaW)N_0.80样品具有最高的硬度与最好的耐磨损性能。排除电子结构、残余应力、晶粒尺寸等力学性质影响因素后, 进一步确认了HENs薄膜晶格畸变度与力学性质之间的直接关系。本研究寻找到一条简洁的晶格畸变度调控策略, 为调节、优化氮化物薄膜性能, 进而更好地解决复杂服役环境下防护薄膜的机械损伤问题提供了新的思路。

针对高速飞行器对于防热/承载一体化超高温陶瓷基复合材料的迫切需求, 以及现有反应型HfC先驱体存在的成本高、效率低和致密效果差等不足, 本研究将HfC亚微米粉体配制成稳定的陶瓷浆料, 利用浆料加压浸渍辅助先驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备了HfC基体均匀分布的C/HfC-SiC复合材料, 探讨了HfC含量对于复合材料微观结构、力学与烧蚀性能的影响。结果表明, 当HfC实际体积分数为13.1%~20.3%时, 复合材料密度为2.20~2.58 g·cm^-3, 开孔率约为5%。通过单层碳布加压浸渍陶瓷浆料, HfC颗粒能够分散到纤维束内部, 且在复合材料中分布比较均匀。提高HfC含量会降低复合材料纤维含量, 其力学性能也呈现出降低趋势。当HfC体积分数为20.3%时, 复合材料的密度、拉伸强度和断裂韧性分别为2.58 g·cm^-3、147 MPa和9.3 MPa·m^1/2; 经氧乙炔焰烧蚀60 s后, 复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.0062 mm/s和0.005 g/s, 烧蚀过程中形成的熔融相Hf_xSi_yO_z能覆盖在材料表面, 起到良好的保护作用。

Ti₃SiC₂具有良好的高温稳定性, 可作为改性材料来提高C/C复合材料的抗氧化性能, 应用潜力巨大。本工作以钛粉和液态聚碳硅烷(Liquid Polycarbosilane, LPCS)作为原料, 采用前驱体转化陶瓷(Polymer Derived Ceramics, PDC)法在1200、1300、1400、1500 ℃下制备了四种相含量的Ti₃SiC₂陶瓷, 研究了烧结温度对其物相组成及形貌的影响, 以及不同Ti₃SiC₂相含量对陶瓷材料的抗氧化和抗热震性能的影响。结果表明, 在Ti : Si物质的量比为3 : 1.5, 烧结温度为1300、1400、1500 ℃条件下, 均有层状结构的Ti₃SiC₂生成。当烧结温度为1400 ℃时, 陶瓷产物中Ti₃SiC₂质量分数达到92.10%, 抗弯强度达172.68 MPa。在1300 ℃静态空气环境下氧化7 h, 陶瓷氧化增重随Ti₃SiC₂相含量增大而逐渐降低, 这是由于氧化过程中材料表面生成了以TiO₂为主相的保护膜, 有效延缓了氧气向内部扩散。对试样进行1300 ℃空气热震和抗弯强度测试发现, 随着热震次数的增加, 所有材料的残余强度均有所下降; 但随着Ti₃SiC₂相含量增大, 试样的抗热震性能和残余强度均提高。Ti₃SiC₂相质量分数为92.10%的试样经过30次热震后失重30.66%, 残余强度为120.18 MPa, 这主要归因于层状结构的Ti₃SiC₂大幅增加了裂纹扩展路径及其良好的抗氧化性能。