近日，我校新材料与智能制造科研团队在国际高影响力学术期刊《Advanced Science》发表题为“Hierarchical Strain-Modified Medium-Entropy Carbide Ceramics Exhibit Exceptional Ablation Resistance up to 2400 °C（分级应变调控中熵碳化物陶瓷在2400℃下展现优异抗烧蚀性能）”的研究论文。该研究在中熵(HfZrTi)C陶瓷中引入还原氧化石墨烯作为增韧相与烧蚀牺牲相，实现了跨尺度应变调控。该策略使材料在2400 ℃等离子热流冲击下保持结构完整、无宏观开裂，同时显著降低质量烧蚀率和线烧蚀率，表现出优异抗烧蚀性能，为高速飞行器热防护材料“耐高温-抗热震-抗氧化”一体化设计提供了新思路。
碳化物超高温陶瓷因高熔点和优异热稳定性，被视为极端热环境下的重要候选材料，有望满足高速飞行器热防护需求。然而，仅凭高熔点并不足以应对实际服役环境。超高温热冲击往往伴随强剪切和氧化作用，这一“热-力-氧”耦合严苛烧蚀环境要求碳化物超高温陶瓷不仅要具备高承温极限，还必须在服役过程中保持结构稳定性。传统碳化物陶瓷因本征脆性在热冲击下易发生脆性断裂，相应氧化层难以在超高温热冲击环境中保持结构完整性，严重限制了其实际应用。这一瓶颈主要源于传统碳化物陶瓷多尺度的失效机制：在介观尺度，烧蚀形成的表面氧化层是抵抗热冲击的第一道防线，但由于无法有效耗散相变应力和热应力，导致应力集中并产生裂纹；在微观尺度，具备本征脆性的碳化物陶瓷缺乏抑制裂纹萌生与扩展的有效机制，裂纹一旦产生便迅速向内扩展，最终导致灾难性失效。此外，现有增韧策略难以兼顾超高温抗烧蚀性能与氧化层结构稳定性，成为制约该类材料向更高温度和更长寿命发展的核心难题。
图1 烧蚀性能对比图
针对上述挑战，研究团队提出一种分级应变调控策略，在(HfZrTi)C中熵陶瓷中引入还原氧化石墨烯（rGO），利用rGO作为多功能相，同时发挥增韧相和牺牲相的作用，实现了微观与介观跨尺度应变协同调控。在微观尺度，rGO掺杂显著增强了原子应变，平均晶粒尺寸从16.41 µm细化至12.17 µm，扩展了高应变区域，增加了位错密度并阻碍位错运动，断裂韧性提升至7.51 MPa·m1/2；在介观尺度，rGO在烧蚀过程中氧化挥发，在氧化层内形成微孔，这些微孔有效耗散了烧蚀产生的相变应力和热应力。实验结果表明，所研发的新材料在2400 °C等离子烧蚀240秒后仍保持结构完整，形成了致密平整的氧化层，质量烧蚀率和线烧蚀率相比未掺杂样品分别显著降低22.4%和43.9%。这一分级应变调控策略兼顾超高温陶瓷抗烧蚀性能与结构稳定性，实现了“热-力-氧”耦合严苛烧蚀环境下的可靠服役，为开发先进热防护陶瓷材料提供了创新解决方案，有望推动其在极端热环境中的广泛应用。
图2 烧蚀机制示意图
河海大学材料科学与工程学院博士生肖浚艺为论文第一作者，薛琳副教授、程江波教授为论文通讯作者，河海大学为第一通讯单位。该研究得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202518785
审核：杨可