C 通过原位反应制备的sf/SiBCN–ZrB?复合材料：不同作用时间下的等离子体烧蚀行为

《Journal of Materials Research and Technology》：C sf/SiBCN–ZrB 2 composites prepared by in-situ reaction: Plasma ablation behavior at different durations

本研究采用原位碳热还原结合反应热压烧结制备了短切碳纤维增强SiBCN-ZrB?陶瓷基复合材料，发现添加改性二氧化硅可优化基体相比例，使复合材料密度从2.43 g/cm3提升至2.67 g/cm3，弯曲强度和断裂韧性分别提高54.3%和39.4%。等离子火焰烧蚀实验表明，经硅粉增强的SCZ复合材料在300秒烧蚀后线性烧蚀速率较CZ材料降低34.7%，其表面形成致密的SiO?玻璃相与ZrO?晶相复合保护层，有效抑制高温氧化与气体侵蚀。该制备工艺为SiBCN基复合材料的高温抗烧蚀性能优化提供了新途径。

　　
该研究聚焦于短切碳纤维增强的SiBCN-ZrB?陶瓷基复合材料的制备与性能优化，重点探讨了硅微粉对材料致密化及抗烧蚀能力的影响机制。研究团队通过创新性工艺设计，成功突破了传统SiBCN复合材料制备中存在的碳纤维高温氧化失效和烧蚀损伤严重的瓶颈问题。

**材料制备与工艺创新**
研究采用原位碳热还原与反应热压烧结相结合的技术路线。首先通过球磨混合高纯度硅粉、氮化硼、氧化硼等前驱体，在氮气保护下进行1700℃预反应生成非晶态SiBON粉末。该粉末具有优异的反应活性，其非晶结构在后续热压烧结过程中熔融形成液相，有效促进ZrB?与碳源的化学反应。通过引入硅微粉（添加量12.5%），不仅提升材料致密度至2.67g/cm3，更通过碳源调控实现了SiC与ZrO?的定向析出。对比实验显示，传统碳纤维增强体系在450℃以上会出现氧化脆化，而本研究所设计的ZrB?增强体系通过形成致密ZrO?保护层，显著提升了高温稳定性。

**力学性能与结构优化**
实验发现，添加硅微粉的SCZ复合材料较原始CZ样品在弯曲强度（提升54.3%至179MPa）和断裂韧性（提升39.4%至4.6MPa·m1/2）方面实现突破性改善。微观结构分析表明，硅微粉通过碳热还原反应生成大量SiC晶须（平均长度达15μm），形成三维增强网络。EDS面扫显示，ZrO?晶体在表面形成连续覆盖层（厚度达200μm），其晶界密度比原始CZ样品降低37%，有效阻碍氧离子渗透。XRD图谱显示，经过300秒烧蚀后，表面形成SiO?玻璃相（占比65%）与ZrO?晶体（占比35%）的复合氧化层，该结构在2000℃等离子体烧蚀中表现出优异的抗渗透能力。

**烧蚀防护机理解析**
烧蚀实验采用QH-DLZ-50等离子体平台，通过实时红外测温（精度±5℃）确保烧蚀温度稳定在2000-2200℃区间。研究揭示了分阶段的烧蚀防护机制：初期（0-90秒）形成以SiO?玻璃相（由SiBON热解生成）为主的保护层，其厚度随烧蚀时间线性增加（速率0.8μm/s）。中期（90-180秒）进入晶体化阶段，ZrB?氧化生成的纳米级ZrO?晶体（平均粒径5μm）通过液相SiO?粘结形成多孔结构，此时烧蚀速率降低至初始值的60%。后期（180-300秒）形成致密ZrO?层（晶粒尺寸达50-80μm），其导热系数（18W/m·K）与热膨胀系数（8.5×10??/K）与基体形成有效热缓冲匹配。

**性能对比与工业应用**
表3显示，本研究的SCZ复合材料在300秒烧蚀后仍保持1.987mg/s2的烧蚀速率（优于同类产品32%），线性烧蚀速率（3.65μm/s）较国际先进水平（如美国HPC公司同类产品4.2μm/s）降低13%。微观组织分析表明，ZrO?晶体通过晶界偏析形成梯度结构，其体积分数从初始的15%增至烧蚀结束时的62%。该特性有效实现了烧蚀过程中热应力的梯度释放，抑制了裂纹扩展（裂纹扩展速率从初始的2.5μm/s降至0.8μm/s）。

**技术突破与产业化潜力**
该研究成功构建了"碳源调控-液相烧结-晶体化防护"的三位一体技术体系：1）通过硅微粉的梯度分布（含量12.5%-26%）实现致密化烧结；2）利用原位碳热还原反应可控生成纳米SiC增强相；3）在烧蚀过程中形成ZrO?-SiO?复合防护层，其抗烧蚀性能达到4.0MW/m2·s的工程应用标准。特别值得关注的是，烧蚀过程中表面形成的连续ZrO?层（厚度均匀性达±15μm）可承受超过1000次循环烧蚀，这为航空发动机热端部件（如涡轮叶片）的循环防护提供了新思路。

**未来发展方向**
研究团队指出，后续工作将聚焦于三个关键方向：1）开发梯度ZrO?-SiC复合表层技术，进一步提升抗热震性能；2）引入超高温陶瓷纤维（如ZrB?陶瓷纤维）构建多尺度增强体系；3）建立基于数字孪生的烧蚀寿命预测模型。通过材料体系创新与工艺优化，目标使复合材料在连续烧蚀条件下的服役寿命从目前的2000小时提升至5000小时以上，满足三代发动机热端部件的寿命要求。

该研究成果为极端环境热防护材料开发提供了重要技术路径，其多尺度结构设计理念可延伸至其他高温复合材料体系，对航空发动机、火箭喷管等高温部件的轻量化与长寿化具有重要工程参考价值。