HfB2-SiC 复合材料力学和抗烧蚀性双改善—中国科学院合肥物质院胡小晔团队新成果

研究背景

超高温陶瓷凭借其优异的高温稳定性、抗氧化性及抗烧蚀性能，已成为高超声速飞行器热防护系统的关键材料。然而，传统多晶硼化物粉体构筑的陶瓷材料在极端服役环境下存在固有缺陷：晶界作为氧化反应的优先活性区域和氧原子快速扩散通道，易引发局部氧化并向材料内部蔓延，最终导致材料结构损毁与功能失效。为突破这一瓶颈，单晶HfB₂粉体通过最大化减少晶界缺陷，可有效延缓材料内部的氧化进程，提升材料整体抗氧化与抗烧蚀性能。同时，其特有的高长径比结构能够在复合材料中激活裂纹偏转、桥联等增韧机制，实现材料性能的同步优化。因此，发展单晶HfB₂陶瓷粉体的可控制备技术，对于协同提升陶瓷基复合材料的综合性能具有重要科学意义与应用价值。

研究进展

研究团队研制了具有微棒状结构的单晶HfB₂，作为陶瓷复合材料的增韧相，成功制备出兼具优异力学性能和抗氧化/烧蚀性能的HfB₂-SiC复合材料（图1）。

与未添加增韧相的样品相比，添加6 wt.% HfB₂微棒的复合材料，其硬度和断裂韧性分别提高了4.1%和37.6%。所采用的 “先纤维后复合”的工艺，突破了传统原位生长对纤维形貌/分布的不可控局限，为超高温陶瓷的强韧化设计在组分调控与结构优化方面提供了更高的灵活性（图2）。

第一性原理计算表明，相较于(0001)晶面，<100>晶面的反应活性更低。此外， <100>晶面更倾向于平行于样品表面排列。该取向可有效阻碍氧原子在材料内部的渗透。结合等离子体火焰烧蚀实验验证，含3 wt.% HfB₂微棒的复合材料展现出优异的抗烧蚀性能，在2000 ℃下烧蚀60 s后，其质量烧蚀速率仅为-0.013 mg/s，线性烧蚀速率为0.25 μm/s，这一结果证实，单晶HfB₂微棒在提升材料力学性能和抗氧化/抗烧蚀性能方面具有协同作用。

未来展望

本研究提出的方法充分发挥了单晶HfB₂微棒的固有特性，为解决传统超高温陶瓷材料脆性高、抗烧蚀性能不足等关键问题提供了新途径，也为HfB₂基复合材料的设计开辟了具有潜力的研究方向，进而为新一代高超声速飞行器的研发奠定了理论与材料基础。后续研究可聚焦于陶瓷微棒组分的系统优化及其材料微观结构设计，以进一步推动新型体系陶瓷复合材料的制备与综合性能提升。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0963