顶刊长篇综述-面向极端高温环境的微纳米多尺度强韧化复合材料
来源:材料学网materials
2023-02-11
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近日,材料领域Top期刊《JMST》在线发表了西北工业大学、凝固技术国家重点实验室、陕西省纤维增强轻质复合材料重点实验室李贺军院士、付前刚教授课题组(团队)长篇综述“Micro/nano multiscale reinforcing strategies toward extreme high-temperature applications: Take Carbon/carbon composites and their coatings as the examples”。论文系统评述了微/纳多尺度强韧化极端苛刻环境用耐高温氧化/抗烧蚀复合材料(包括基体和涂层)最新重要进展,并对其强韧化机理和效果进行了着重论述。所述微/纳多尺度强韧化材料包括纳米颗粒(NPs),纳米线(NWs),碳纳米管/碳纳米纤维(CNT/CNFs),晶须,石墨烯,陶瓷纤维和混杂微/纳米结构,等等。最后,本综述总结了部分尚未有效解决的主要问题,需要应对的挑战以及针对具有优异综合热-机械性能的极端苛刻环境用耐高温氧化/抗烧蚀复合材料提出了一些未来的研究建议。全文综合大图39副,表格13个,243条参考文献,基于团队十多年研究工作及相关课题组、研究单位成果综述而成,总计21000余字。付前刚教授和张佩博士为共同第一作者,付前刚教授和李贺军院士为共同通讯作者。在对已发表研究工作综述的基础上,作者提出了今后的关键研究方向及相关建议。1)如何开发具有优异力-热综合性能(高强韧的抗氧化、抗烧蚀、耐磨蚀、耐冲刷)的复合材料?2)如何制备可在宽温域范围内稳定应用的自愈和、抗氧化/抗烧蚀、可重复使用复合材料?3)如何制备面向极端高温环境应用的大尺寸异形复合材料结构件?论文链接:Qiangang Fu, Pei Zhang, Lei Zhuang, Lei Zhou, Jiaping Zhang, Jie Wang, Xianghui Hou, Ralf Riedel and Hejun Li, Micro/nano multiscale reinforcing strategies toward extreme high-temperature applications: Take carbon/carbon composites and their coatings as the examples. Journal of Materials Science & Technology. (2021), doi:
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.03.076
图 1. 极端高温环境用材料及其相关环境概览

图 3 复合材料实验室高温氧化(a)和烧蚀(b试验,以及风洞冲蚀试验(模拟真实的使用环境)(c)(相应的试验装置图见(d))

图 10. 碳纳米管增韧涂层等温氧化(1473 K/2 h)试验数据汇总

图 14. 多孔碳化硅纳米带层表面SEM形貌

图 15. (a)涂层与碳基底之间界面区域SEM断裂形貌;(b,c) 碳化硅纳米带锚固机理的示意图

图 16. 热处理温度对SiCNWs形貌的影响

图 18. C/C-ZrB2-ZrC-SiC基材上SiCNW@PYC核壳结构增韧SAPS-ZrB2-ZrC涂层制备示意图(左),SiCNW@PYC核壳结构SEM/TEM形貌(右)

图 39. 有无碳纤维表面碳纳米片(CNSs)修饰SiCNWs的不同预制件的形态和微观结构作者学术ID, ORCIDQiangang Fu:
https://orcid.org/0000-0002-9293-5190 (Scopus Author ID: 55482853500) (Website:
https://teacher.nwpu.edu.cn/en/fuqiangang.html)Pei Zhang:
https://orcid.org/0000-0002-8293-1866 (Scopus Author ID: 56502584700)Lei Zhuang:
https://orcid.org/0000-0003-0277-4192 (Scopus Author ID: 57197803563)Lei Zhou: Scopus Author ID: 56502632900Jiaping Zhang: Scopus Author ID: 55808800900Jie Wang: Scopus Author ID: 57200026870Xianghui Hou:
https://orcid.org/0000-0002-8686-4621 (Scopus Author ID: 7201634499)(Website:
https://www.nottingham.ac.uk/engineering/people/xianghui.hou)Ralf Riedel:
https://orcid.org/0000-0001-6888-7208Hejun Li:
https://orcid.org/0000-0002-9456-1874 (Scopus Author ID: 8228305300) (Website:
https://teacher.nwpu.edu.cn/lihejun.html)核心、主创作者简介:付前刚,教授,西北工业大学材料学院党委书记,陕西省纤维增强轻质复合材料主任,陕西省高性能长寿命陶瓷涂层创新团队负责人,陕西省碳/碳复合材料工程中心副主任。兼任中国复合材料常务理事,中国材料研究学会理事,中国材料研究学会青年工作委员会理事,中国硅酸盐学会测试技术分会理事,中国金属学会炭素材料分会委员,中国复合材料学会空天动力复合材料及应用专委会委员;主要从事抗氧化抗烧蚀碳/碳复合材料研究,主持国家自然基金(5项)、国防基础科研等10余项课题。在Adv.Mater., Carbon, J. Eur. Ceram. Soc., Corros. Sci. 等期刊发表SCI收录论文300余篇。授权专利43项。2012年入选首批基金委优青,2013年入选首批中组部万人计划-青拔,2017年入选第三批万人计划-科技创新领军人才,教育部新世纪优秀人才、首批陕西省青年科技新星,博士论文入选全国百篇优博。担任《Journal of Materials Science & Technology》、《中国科学: 技术科学》、《无机材料学报》等五种期刊编委。以第二完成人获国家自然科学二等奖、教育部技术发明一等奖和陕西省科学技术一等奖,获国防科技创新团队奖和陕西省青年科技奖。张佩,男,2013年和2016年先后于西安科技大学获学士学位和硕士学位。现为西北工业大学付前刚教授课题组博士生。主要从事超高温轻质结构复合材料及其涂层防护方面的研究工作;近年来参与陕西省科技工业攻关项目、国家自然科学基金面上项目(第三、第六参与人)、国家自然科学基金群体项目等多项课题;发表SCI、EI收录论文10余篇(Journal of the European Ceramic Society, Journal of Materials Science and Technology, Surface and Coatings Technology, Corrosion Science, Ceramics International, Advance in Applied Ceramics、Wear、Composites Part B: Engineering、中国稀土学报(英文版)、稀有金属材料与硬质合金、中国有色金属学报、热加工工工艺等国内外学术期刊);申报发明专利2项,已获授权1项。先后为Materials Letters、Carbon、Corrosion Science等国内外学术期刊审稿。兼任中国硅酸盐学会会员(E414000002S ),中国金属学会炭素材料分会会员(E312600773A),中国复合材料学会会员(E63090113)等。曾获武汉理工大学“第九届高校材料科学与工程学科研究生论坛”优秀报告奖(2019年11月)、湖南省“高性能材料设计与制备”研究生创新论坛的优秀论文奖(2020年10月)和“IFAM2020新材料国际发展趋势高层论坛”优秀POSTER奖(2020年11月)。李贺军,院士,材料领域专家,杰青,亚太材料科学院院士,材料学院教授,博导。1991年获哈尔滨工业大学塑性加工专业博士学位。2004年起任超高温结构复合材料重点实验室副主任。长期从事碳/碳复合材料、抗氧化/烧蚀涂层、碳纤维增强纸基与金属基复合材料等研究工作。获国家自然科学二等奖1项,国家技术发明二等奖2项,国家教学成果一等奖1项、二等奖1项,省部级一等奖6项,获日本复合材料学会Hayashi Memorial 国际奖和中国炭素杰出成就奖。获授权发明专利155件,出版专著和教材3部。获全国模范教师、首届全国“最美科技工作者”,陕西省教书育人楷模等荣誉。