奈米材料是複合材料嗎

近日，

材料領域Top期刊《JMST》

線上發表了

西北工業大學、凝固技術國家重點實驗室、陝西省纖維增強輕質複合材料重點實驗室

李賀軍院士、付前剛教授

課題組（團隊）

長篇綜述

“

Micro/nano multiscale reinforcing strategies toward extreme high-temperature applications： Take carbon/carbon composites and their coatings as the examples

”。

論文

系統評述了

微/納多尺度強韌化極端苛刻環境用耐高溫氧化/抗燒蝕複合材料（包括基體和塗層）

最新重要進展，並對其強韌化機理和效果進行了著重論述。所述

微/納多尺度強韌化材料

包括

奈米顆粒（NPs），奈米線（NWs），碳奈米管/碳奈米纖維（CNT/CNFs），晶須，石墨烯，陶瓷纖維和混雜微/奈米結構

，等等。最後，本綜述總結了

部分尚未有效解決的主要問題，需要應對的挑戰以及針對具有優異綜合熱-機械效能的極端苛刻環境用耐高溫氧化/抗燒蝕複合材料提出了一些未來的研究建議

。

全文綜合大圖39副，表格13個，243條參考文獻，基於團隊十多年研究工作及相關課題組、研究單位成果綜述而成，總計21000餘字。

付前剛教授和張佩博士為共同第一作者，付前剛教授和李賀軍院士為共同通訊作者。

在對已發表研究工作綜述的基礎上，作者提出了今後的關鍵研究方向及相關建議。

1)如何開發具有優異力-熱綜合性能(高強韌的抗氧化、抗燒蝕、耐磨蝕、耐沖刷)的複合材料？

2)如何製備可在寬溫域範圍內穩定應用的自愈和、抗氧化/抗燒蝕、可重複使用複合材料？

3)如何製備面向極端高溫環境應用的大尺寸異形複合材料結構件？

論文連結：

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

目錄

1。引言

1。1。 複合材料及其實際應用中存在的問題

1。2。 複合材料的熱防護方法

1。2。1。 高溫防護塗層

1。2。2。 基體改性

1。3。 富有成效的微奈米多尺度增強體

1。4。 本綜述內容概要

2。 微/奈米多尺度增韌塗層

2。1。 晶須

2。1。1。 SiC晶須

2。1。2。 其他晶須

2。2。 奈米顆粒

2。3。 碳奈米管

2。4。 奈米線/奈米帶

2。4。1。 SiC奈米線/奈米帶和nanowire@PyC核殼結構

2。4。2。 HfC奈米線

3。 用於複合材料的微/奈米多尺度增強體

3。1。 奈米顆粒

3。2。 碳奈米管/碳奈米纖維

3。3。 奈米線

3。4。 石墨烯

3。5。 陶瓷纖維

4。 混雜多尺度微奈米增強複合材料或/和塗層

4。1。 混雜多尺度微奈米增強塗層

4。2。 混雜多尺度微奈米增強基材

5結論和展望

5。1。 結論評述

5。2。 未來展望和建議的解決方案

致謝

參考文獻

特別緻謝：

合作專家英國諾丁漢大學侯向輝博士和德國達姆斯塔特工業大學Ralf Riedel教授（

材料科學和地球科學系教務長，美國陶瓷學會會員、歐洲陶瓷學會會員、世界陶瓷科學院院士

）校閱稿件，並提出了許多寶貴而又深刻、關鍵的改進意見，並協助修改本綜述。上海交大王傑博士、本團隊成員莊磊博士（現為西安交大教師）、周磊博士、張佳平博士副教授對本綜述進行了討論、修改。團隊近期相關工作得到了國家自然科學基金委員會國際（地區）合作與交流專案（中德）、國家自然科學基金專案（National Natural Science Foundation of China）、陝西省創新人才推進計劃-科技創新團隊基金（Innovation Talent Promotion Plan of Shaanxi Province for Science and Technology Innovation Team （2020TD-003）、中國

博後科學基金專案（China Postdoctoral Science Foundation）、中央高校基本科研業務費專項資金（Fu

ndamental Research Funds for the Central Universities）、超高溫結構複合材料重點實驗室基金專案和陝西省教育廳科研計劃專案（Shaanxi Provincial Education Department of China）等專案的經費支援。衷心感謝Ralf Riedel教授團隊

博後研究員文青波（現為中南大學熊翔教授課題組副教授）和凝固技術國家重點實驗室李文亞教授（點評綜述手稿，並就稿件投遞注意事項提出寶貴的建議）。感謝宋強研究員、殷學民博後、黎雲玉博後、王貝貝博士、劉躍博後高工、趙鳳玲博後、王璐博士高工、寇鋼博士、孫佳博士副教授、李偉博士副研究員、程春玉博後、李濤博士、閆寧寧博士、童明德博士、劉天宇博士、胡逗博士、謝薇博士、朱肖飛博士等人的參考檔案、有益討論和就相關工作提出的寶貴建議。感謝以各種方式對完善本綜述所提出的概念和想法，以及對手稿的討論、完稿和細化改進提供意見的朋友。非常歡迎、感謝領域同行的支援，文中引用的相關成果，尤其是相關資料、資料和對比指標有力的支撐了本綜述論文。因時間、條件、經驗及水平所限，本文未可無一遺漏地引用涉及主題的相關同仁工作、貢獻及其成果，疏漏之處再所難免，敬請批評指正。衷心感謝評閱本論文並提出建設性修改意見的專家學者，感謝期刊編輯部老師對稿件的細緻處理、編校。誠摯歡迎各位專家同仁提出寶貴批評、以及更加富有洞見性的意見，共同促進相關主題領域工作的長效發展。

圖文導讀

圖 1。

極端高溫環境用材料及其相關環境概覽

圖 2。

複合材料極端環境領域中應用例項

圖 3

複合材料實驗室高溫氧化（a）和燒蝕（b試驗，以及風洞沖蝕試驗（模擬真實的使用環境）（c）（相應的試驗裝置圖見（d））

圖 4

。

（a）複合材料普適防護方法（包括（1）基體改性和（2）高溫防護塗層），（b）有望應用於極端高溫環境（例如高溫氧化，更劇烈的熱衝擊，燃燒氣體燃燒引起的燒蝕和腐蝕）用碳碳複合材料的微/奈米多尺度增強體。其中紅色箭頭表示增強碳碳複合材料，黑色箭頭表示增韌塗層

圖 5

。 SiCWs增韌多相、多層塗層典型製備示意圖

圖 6。

SiCWs增韌多相、多層塗層（以SiCWs-HfB2-SiC-Si/SiC塗層為例）SEM顯微照片：（a）橫截面、（b-c）斷裂面SiCWs橋接特徵、（d）斷裂面上SiCWs的拉拔和脫粘特徵

圖 7。

沉積態（a，b）傳統ZrC塗層和（c，d）ZrC奈米結構塗層SEM形貌

圖 10。

碳奈米管增韌塗層等溫氧化（1473 K/2 h）試驗資料彙總

圖 12。

SiCNW及其增韌塗層試樣微結構，以及相關增韌機理

圖 14

。

多孔碳化矽奈米帶層表面SEM形貌

圖 15。

（a）塗層與碳基底之間介面區域SEM斷裂形貌；（b，c） 碳化矽奈米帶錨固機理的示意圖

圖 16。

熱處理溫度對SiCNWs形貌的影響

圖 18。

C/C-ZrB2-ZrC-SiC基材上SiCNW@PYC核殼結構增韌SAPS-ZrB2-ZrC塗層製備示意圖（左），SiCNW@PYC核殼結構SEM/TEM形貌（右）

圖 39

。 有無碳纖維表面碳奈米片（CNSs）修飾SiCNWs的不同預製件的形態和微觀結構

作者學術ID， ORCID

Qiangang 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： 56502632900

Jiaping Zhang： Scopus Author ID： 55808800900

Jie Wang： Scopus Author ID： 57200026870

Xianghui 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/0000-0001-6888-7208

Hejun Li：

https：//orcid。org/0000-0002-9456-1874

（Scopus Author ID： 8228305300） （Website：

https：//teacher。nwpu。edu。cn/lihejun。html）

核心、主創作者簡介：

付前剛，教授，

西北工業大學材料學院黨委書記，陝西省纖維增強輕質複合材料主任，陝西省高效能長壽命陶瓷塗層創新團隊負責人，陝西省碳/碳複合材料工程中心副主任。兼任中國複合材料常務理事，中國材料研究學會理事，中國材料研究學會青年工作委員會理事，中國矽酸鹽學會測試技術分會理事，中國金屬學會炭素材料分會委員，中國複合材料學會空天動力複合材料及應用專委會委員；主要從事抗氧化抗燒蝕碳/碳複合材料研究，主持國家自然基金(5項)、國防基礎科研等10餘項課題。在Adv.Mater., Carbon, J. Eur. Ceram. Soc., Corros. Sci. 等期刊發表SCI收錄論文300餘篇。授權專利43項。2012年入選首批基金委優青，2013年入選首批中組部萬人計劃-青拔，2017年入選第三批萬人計劃-科技創新領軍人才，教育部新世紀優秀人才、首批陝西省青年科技新星，博士論文入選全國百篇優博。擔任《Journal of Materials Science & Technology》、《中國科學: 技術科學》、《無機材料學報》等五種期刊編委。以第二完成人獲國家自然科學二等獎、教育部技術發明一等獎和陝西省科學技術一等獎，獲國防科技創新團隊獎和陝西省青年科技獎。

張佩，

男，2013年和2016年先後於西安科技大學獲學士學位和碩士學位。現為西北工業大學付前剛教授課題組博士生。

主要從事超高溫輕質結構複合材料及其塗層防護方面的研究工作；近年來參與陝西省科技工業攻關專案、國家自然科學基金面上專案（第三、第六參與人）、國家自然科學基金群體專案等多項課題；發表SCI、EI收錄論文10餘篇（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、中國稀土學報（英文版）、稀有金屬材料與硬質合金、中國有色金屬學報、熱加工工工藝等國內外學術期刊）；申報發明專利2項，已獲授權1項。先後為Materials Letters、Carbon、Corrosion Science等國內外學術期刊審稿。兼任中國矽酸鹽學會會員（E414000002S ），中國金屬學會炭素材料分會會員（E312600773A），中國複合材料學會會員（E63090113）等。曾獲武漢理工大學“第九屆高校材料科學與工程學科研究生論壇”優秀報告獎（2019年11月）、

湖南省“高效能材料設計與製備”研究生創新論壇的優秀論文獎（2020年10月）和“IFAM2020新材料國際發展趨勢高層論壇”優秀POSTER獎（2020年11月）。

李賀軍，院士

，

材料領域專家，傑青，亞太材料科學院院士，材料學院教授，博導。1991年獲哈爾濱工業大學塑性加工專業博士學位。2004年起任超高溫結構複合材料重點實驗室副主任。長期從事碳/碳複合材料、抗氧化/燒蝕塗層、碳纖維增強紙基與金屬基複合材料等研究工作。獲國家自然科學二等獎1項，國家技術發明二等獎2項，國家教學成果一等獎1項、二等獎1項，省部級一等獎6項，獲日本複合材料學會Hayashi Memorial 國際獎和中國炭素傑出成就獎。獲授權發明專利155件，出版專著和教材3部。獲全國模範教師、首屆全國“最美科技工作者”，陝西省教書育人楷模等榮譽。