近日，西北工業(yè)大學材料學院李賀軍院士碳/碳復合材料團隊在材料科學與工程領(lǐng)域頂級期刊《Materials Science and Engineering R: Reports》（IF=31.6）上發(fā)表題為“Materials design of silicon based ceramic coatings for high temperature oxidation protection（硅基陶瓷涂層抗高溫氧化設(shè)計與防護）”的綜述文章。西北工業(yè)大學材料學院博士研究生劉冰為論文第一作者，孫佳副教授、Ralf Riedel教授和付前剛教授為論文共同通訊作者。
新一代航空航天飛行器的快速發(fā)展對熱結(jié)構(gòu)材料在高溫氧化環(huán)境中的抗氧化性能提出了嚴苛要求。硅基陶瓷涂層技術(shù)是提升碳/碳（C/C）復合材料和陶瓷基復合材料（CMCs）等熱結(jié)構(gòu)材料抗氧化性能的有效方法。然而，服役過程中涂層常因與基體熱膨脹系數(shù)不匹配而發(fā)生開裂現(xiàn)象，這削弱了涂層對基體的氧化防護效果，甚至導致涂層失效。基于皮膚傷口自愈合自修復機制，本文綜述了解決涂層開裂問題的兩個重要手段——裂紋愈合（涂層自愈合成分設(shè)計）和裂紋抑制（涂層增韌結(jié)構(gòu)設(shè)計）。相關(guān)材料設(shè)計方法為新一代熱結(jié)構(gòu)材料用先進硅基陶瓷涂層研發(fā)提供了理論支撐。
本文從“裂紋愈合”（仿皮膚愈合，側(cè)重小裂紋）和“裂紋抑制”（仿傷口修復，側(cè)重大裂紋）兩個角度開展涂層成分與結(jié)構(gòu)研究。在涂層自愈合成分設(shè)計方面，針對SiO2在寬溫域環(huán)境下對裂紋封填愈合作用不足問題，提出了對SiO2中低溫流動性增強和高溫穩(wěn)定性提升的雙重策略，前者通過選用B、Al、Ti、堿金屬和堿土金屬元素摻雜，而后者選用難熔金屬和稀土元素添加，以此實現(xiàn)硅基陶瓷涂層在寬溫域環(huán)境下對裂紋的有效愈合。在涂層自修復增韌結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，綜述了借助一維結(jié)構(gòu)“縫合”開裂、梯度結(jié)構(gòu)緩釋應力、多相鑲嵌結(jié)構(gòu)阻礙裂紋擴展、層狀仿生結(jié)構(gòu)規(guī)避貫穿性裂紋等一系列涂層韌性提升方法，為高強韌硅基陶瓷涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。最后，本文總結(jié)并展望了硅基陶瓷涂層的潛在發(fā)展方向。
本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、國家科技重大專項、Sino-German DFGProject和RFG-funded Research Training Group等項目的資助和支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2025.100936
（來源：材料學院）
