陶瓷基复合材料高通量模拟计算与制备研究

董绍明¹，王京阳²

¹中国科学院上海硅酸盐研究所

²中国科学院沈阳金属所

详细摘要： 纤维增强陶瓷基复合材料是由纤维、基体和界面组成的多元多尺度材料，结构和性能可设计性强，具有轻质、高强、耐高温、抗氧化等优异特性，作为新型结构材料在航空航天、交通运输和新能源等高技术领域应用前景广阔。近年来，随着航空航天技术的发展，陶瓷基复合材料在国际上受到高度关注，被认为是推动当代航空航天技术发展不可或缺的关键材料之一。从陶瓷基复合材料的发展现状来看，获得应用的陶瓷基复合材料基体主要为碳化硅陶瓷和超高温陶瓷两类，其界面相多为热解碳（PyC）或热解碳 / 碳化硅 (PyC/SiC)n 复合界相。目前材料的应用主要集中在航天领域，在航空领域虽未获得广泛应用，但日趋受到重视，美国 GE 公司已经完成了航空发动机用多种陶瓷基复合材料热端部件的验证。我国欲实现陶瓷基复合材料在航空领域的应用，尚需开展新型抗高温氧化的陶瓷基体和界面相的设计和发。通常，陶瓷基复合材料基体和界面相的制备与筛选采用试错法，研制周期长、成本高、原材料消耗大，这无疑严重制约着材料优选组成的快速确定，因此亟需开发高通量计算与制备技术。这对于促进陶瓷基复合材料学科发展，推动材料的高效研发及其在高温环境下的长寿命服役，具有重要的意义，亦为材料实现在高推重比航空发动机中的应用提供理论和技术支撑。本文基于材料基因组的研究模式，结合理论模拟和实验研究，预测了典型界面相 PyC 和 BN 掺杂活性元素 B 和 Si 后晶体结构和力学性能的变化以及活性元素的择优氧化过程，结合裂纹偏转判据和抗氧化自愈合判据提出了力学和抗氧化协同调控的掺杂成分区间；模拟了掺杂元素对 BN/SiC 界面开裂行为的影响，揭示了掺杂元素对界面失效的影响机制。对稀土硅酸盐体系的结构 - 力学 / 热学性能进行了高通量预测，揭示了影响稀土硅酸盐性能的关键基因结构，实现了抗氧化界面相材料的体系优选；对 YbHo-Si-O 体系进行了高通量制备和力学性能的快速表征，以偏转裂纹和抗氧化 / 水蒸气腐蚀为目标，完成了快速的成分设计，指导新型界面相的研发。为实现陶瓷基复合材料基体和界面相高效制备和优选，本文以气体反应物流速和沉积温度为控制变量，设计开发高通量化学气相沉积装置，在同一反应器内形成若干沉积条件，同时建立了 Si-B-(C/N)基高温陶瓷材料体系的高通量化学气相沉积技术，获得了不同组成的沉积产物。研究了制备工艺参数与涂层组分和结构之间的关系，并阐明了涂层的形成机制。分别优选出作为陶瓷基复合材料基体和界面相的组分，在此基础上成功研制了性能优异的陶瓷基复合材料，其性能与国际同类材料先进水平相当，从而奠定了材料航空应用基础