李贺军院士团队在硅基陶瓷涂层抗高温氧化设计与防护研究领域取得新进展

近日，西北工业大学材料学院李贺军院士碳/碳复合材料团队在材料科学与工程领域顶级期刊《Materials Science and Engineering R: Reports》（IF=31.6）上发表题为“Materials design of silicon based ceramic coatings for high temperature oxidation protection（硅基陶瓷涂层抗高温氧化设计与防护）”的综述文章。西北工业大学材料学院博士研究生刘冰为论文第一作者，孙佳副教授、Ralf Riedel教授和付前刚教授为论文共同通讯作者。

新一代航空航天飞行器的快速发展对热结构材料在高温氧化环境中的抗氧化性能提出了严苛要求。硅基陶瓷涂层技术是提升碳/碳（C/C）复合材料和陶瓷基复合材料（CMCs）等热结构材料抗氧化性能的有效方法。然而，服役过程中涂层常因与基体热膨胀系数不匹配而发生开裂现象，这削弱了涂层对基体的氧化防护效果，甚至导致涂层失效。基于皮肤伤口自愈合自修复机制，本文综述了解决涂层开裂问题的两个重要手段——裂纹愈合（涂层自愈合成分设计）和裂纹抑制（涂层增韧结构设计）。相关材料设计方法为新一代热结构材料用先进硅基陶瓷涂层研发提供了理论支撑。

本文从“裂纹愈合”（仿皮肤愈合，侧重小裂纹）和“裂纹抑制”（仿伤口修复，侧重大裂纹）两个角度开展涂层成分与结构研究。在涂层自愈合成分设计方面，针对SiO₂在宽温域环境下对裂纹封填愈合作用不足问题，提出了对SiO₂中低温流动性增强和高温稳定性提升的双重策略，前者通过选用B、Al、Ti、碱金属和碱土金属元素掺杂，而后者选用难熔金属和稀土元素添加，以此实现硅基陶瓷涂层在宽温域环境下对裂纹的有效愈合。在涂层自修复增韧结构设计方面，综述了借助一维结构“缝合”开裂、梯度结构缓释应力、多相镶嵌结构阻碍裂纹扩展、层状仿生结构规避贯穿性裂纹等一系列涂层韧性提升方法，为高强韧硅基陶瓷涂层结构设计提供参考。最后，本文总结并展望了硅基陶瓷涂层的潜在发展方向。

本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家科技重大专项、Sino-German DFG Project和RFG-funded Research Training Group等项目的资助和支持。