项目名称：仿生层状结构硼化锆陶瓷强韧化与抗烧蚀机理研究

提名者及提名意见：

空间飞行器是大国空天技术竞争的战略制高点，空间飞行器的发展事关国家战略安全。目前，高性能空间飞行器正朝着速度更快、航时更长、稳定性更高的方向发展，这对热防护材料的抗烧蚀性和可靠性提出了更高的要求。以硼化锆超高温陶瓷为代表的热防护材料是空间飞行器领域的关键战略材料，但硼化锆陶瓷烧结温度高、韧化机制匮乏、抗烧蚀性差等问题，成为制约空间飞行器发展的关键性瓶颈。

本项目在国家自然科学基金、山东省重点研发计划等项目的资助下，将仿生思想应用于超高温陶瓷材料微观结构设计，开展了仿生层状硼化锆超高温陶瓷材料的制备研究，突破了超高温陶瓷材料本征脆性这一瓶颈问题，为超高温陶瓷材料在极端环境和复杂载荷条件下的服役奠定了理论基础。

5篇代表性论文被SCI他引293次，单篇最高SCI他引138次，被欧洲科学院院士Jon Binner教授、美国陶瓷学会主编William G. Fahrenholtz教授、中国工程院院士李贺军教授、中国工程院院士卢秉恒教授等人在包括Nature Reviews Materials、Progress in Materials Science、International Materials Reviews、Journal of Advanced Ceramics、Composites Part B等专业刊物上正面引用、评价和跟踪。项目完成人入选教育部青年人才奖励计划1人次，山东省优青基金计划1人次。授权发明专利21项，相关成果在山东工业陶瓷研究设计院有限公司、中国航天科技集团第十一研究院实现转化与应用。项目成果为超高温陶瓷强韧化与抗烧蚀机制提供了理论依据和技术支持，对推动空间飞行器在极端热力环境中的长期服役具有重要的应用价值。

提名奖种及等级：山东省自然科学奖（二等奖）

项目简介：

空间飞行器是大国空天技术竞争的战略制高点，空间飞行器的发展事关国家战略安全。目前，高性能空间飞行器正朝着速度更快、航时更长、稳定性更高的方向发展，这对热防护材料的抗烧蚀性和可靠性提出了更高的要求。以硼化锆超高温陶瓷为代表的热防护材料是空间飞行器领域的关键战略材料，但硼化锆陶瓷烧结温度高、韧化机制匮乏、抗烧蚀性差等问题，成为制约空间飞行器发展的关键性瓶颈。本项目从材料结构与性能的关系出发，将仿生思想应用于超高温陶瓷材料的微观结构设计，实现了超高温陶瓷材料强韧化与抗烧蚀性能的匹配与协同提高。取得的主要科学发现如下：

1．揭示了硼化锆陶瓷低温致密化机制，建立了基于粉体纳米化改性和压力辅助烧结的物质扩散、晶界迁移数学模型，解决了传统硼化锆陶瓷低温扩散动力低、致密度小的难题，进一步丰富了超高温陶瓷的晶粒生长与致密化理论，实现了硼化锆陶瓷低温烧结。

2．提出了硼化锆陶瓷仿生层状结构构筑策略，揭示了仿生层状结构硼化锆陶瓷的裂纹扩展与能量消耗机制，解决了均质硼化锆陶瓷低的损伤容限能力与本征脆性内在矛盾，实现了层间层内结构可控、界面结合强度适中的层状陶瓷的制备，满足了多种极端热力环境对高韧性硼化锆陶瓷的需求。

3．提出了仿生层状结构硼化锆陶瓷界面层强化抗烧蚀性策略，解决了传统层状陶瓷材料极端热力环境下发生的开裂、烧蚀、剥落等难题，揭示了基于晶须界面层成分调控、高温氧化、缺陷弥合的抗烧蚀机制，实现了超高温陶瓷材料强韧化与抗烧蚀性能的匹配与协同提高。

该项目发表SCI论文103篇，其中SCI一区15篇，SCI二区76篇。相关成果发表在Corrosion Science、Scripta Materialia、Journal of the European Ceramic Society等国际期刊上，受到国内外同行的关注和认可。其中5篇代表性论文被SCI他引293次，单篇最高SCI他引138次，被欧洲科学院院士Jon Binner教授、美国陶瓷学会主编William G. Fahrenholtz教授、中国工程院院士李贺军教授、中国工程院院士卢秉恒教授等人在包括Nature Reviews Materials、Progress in Materials Science、International Materials Reviews、Journal of Advanced Ceramics、Composites Part B等专业刊物上正面引用、评价和跟踪。依托本项目指导研究生获得山东优秀硕士学位论文2人次，获得硕士研究生国家奖学金3人次；项目完成人入选教育部青年人才奖励计划1人次，山东省优青基金计划1人次。授权发明专利21项，相关成果在山东工业陶瓷研究设计院有限公司、中国航天科技集团第十一研究院实现转化与应用。项目成果为超高温陶瓷强韧化与抗烧蚀机制提供了理论依据和技术支持，对推动空间飞行器在极端热力环境中的长期服役具有重要的应用价值。

代表性论文专著目录：

[1] Chuncheng Wei*, Xinghong Zhang, Ping Hu, Wenbo Han, Guishan Tian. The fabrication and mechanical properties of bionic laminated ZrB2-SiC/BN ceramic prepared by tape casting and hot pressing. Scripta Mater 2011, 65: 791–794. 

[2] Ping Hu*, Guolin Wang, Zhi Wang. Oxidation mechanism and resistance of ZrB2–SiC composites. Corrosion Science 2009, 51 (11): 2724-2732.

[3]  Chuncheng Wei*, Xinchao Liu, Jinye Niu, Liu Feng, Hongzhi Yue. High temperature mechanical properties of laminated ZrB2–SiC based ceramics. Ceramics International 2016, 42(16): 18148-18153. 

[4] Ping Hu*, Zhi Wang. Flexural strength and fracture behavior of ZrB2–SiC ultra-high temperature ceramic composites at 1800° C. Journal of the European Ceramic Society 2010, 30(4), 1021-1026.

[5] Lulu Zhang, Chuncheng Wei*, Shuang Li, Guangwu Wen, Yuying Liu, Peng Wang. Mechanical and thermal shock properties of laminated ZrB2-SiC/SiCw ceramics, Ceramics International, 2019, 45: 6503-6508.

主要完成人情况：

“主要完成人情况”摘自“主要完成人情况表”中的部分内容，公示姓名、排名、行政职务、技术职称、工作单位、完成单位、对本项目贡献。

魏春城，5排1，博士，教授，山东理工大学，本项目负责人。提出了本项目的关键学术思想，负责项目的整体设计、组织实施。对重要科学发现1-3均做出了创造性贡献，奠定了课题组在国际国内超高温陶瓷研究领域的重要地位，是代表性论文1、3、5的通讯作者。

胡平，5排2，博士，教授，哈尔滨工业大学，本项目的重要参与者。具体负责超高温陶瓷氧化烧蚀测试和氧化烧蚀机理分析。对重要科学发现1、2做出了创造性贡献，是代表性论文2、4的通讯作者，代表性论文1的共同作者。

李双，5排3，博士，副教授，山东理工大学，本项目的主要参与者。具体负责超高温陶瓷材料室温、高温断裂行为测试，研究不同参数对层状结构陶瓷性能影响规律，断裂机理。对重要科学发现2、3做出了创造性贡献，代表性论文5的共同作者。

王鹏，5排4，博士，副教授，山东理工大学，本项目的主要参与者。具体负责流延成型工艺制备超薄高韧流延片。通过调控粘结剂、增塑剂、分散剂、固液比、料浆粘度、牵引速率等参数，研究流延成型流延片的控制因素和形成机理，超高温陶瓷氧化烧蚀测试和氧化烧蚀机理分析。对重要科学发现2、3做出了创造性贡献，代表性论文5的共同作者。

牛金叶，5排5，硕士，副教授，山东理工大学，本项目的主要参与者。具体负责超高温陶瓷材料热冲击性能测试，预氧化机理分析，R曲线行为研究。对重要科学发现2、3做出了创造性贡献，代表性论文3的共同作者。

主要完成单位情况：

山东理工大学：项目第一完成单位

项目负责单位，全面负责项目的实施和研究工作，主要学术贡献包括：

1．发现了硼化锆陶瓷的低温致密化规律，进一步丰富了超高温陶瓷的晶粒生长与致密化理论，揭示了微纳米增强体对硼化锆基超高温陶瓷微观结构和断裂行为的作用机理，阐明了高温服役环境下微纳米增强体的能耗规律。

2．发明了流延叠层法制备仿生层状硼化锆基超高温陶瓷材料新工艺，实现了对陶瓷材料的微观结构的精确控制，建立了基于仿生层状结构的硼化锆基超高温陶瓷的裂纹扩展与能量消耗机制，突破了超高温陶瓷材料本征脆性这一瓶颈问题。

3．阐明了基于SiC晶须界面层的层状硼化锆陶瓷抗烧蚀机制，发现了SiC界面层热物理和热化学效应对烧蚀行为的作用规律，实现了超高温陶瓷材料强韧化与抗烧蚀性能的匹配与协同提高，突破了传统层状陶瓷材料热力环境下容易剥落、抗热冲击和抗烧蚀性能差的难题。

4．推动了研究成果在山东工业陶瓷研究设计院有限公司、中国航天科技集团第十一研究院进行了实施，材料表现出良好的高温抗氧化烧蚀性能。

哈尔滨工业大学：项目第二完成单位

项目参与单位，全面参与了项目的相关研究工作，主要学术贡献包括：

1．主持开展了热压烧结制备ZrB2-SiC基超高温陶瓷材料的工艺研究，发展了高致密度、细晶粒、高模数ZrB2陶瓷致密化-晶粒生长理论与烧结技术，解决了纯ZrB2难烧结、高温抗氧化性差的难题，使硼化锆陶瓷的烧结温度降低200 ℃，致密度达到99%。

2．提出纳米ZrB2粉体制备碳纤维增韧硼化锆复合材料，建立了碳纤维增强体高温热应力防护策略，实现了硼化锆陶瓷的低温致密化，从而进一步丰富了超高温陶瓷的晶粒生长与烧结致密化理论。

3．提出了高韧性仿生层状结构硼化锆基陶瓷设计理论，明确了流延叠层参数对层状陶瓷结构与性能的作用规律，建立了基于仿生层状结构的硼化锆基超高温陶瓷的裂纹扩展与能量消耗机制，从而突破了超高温陶瓷材料本征脆性这一瓶颈问题。

4．揭示了氧化处理对层状陶瓷热应力、晶界相以及断裂行为的作用规律。发现了层状陶瓷中硼化锆和碳化硅经氧化后，在材料表面产生玻璃相，揭示了玻璃相的组成、分布等对表面微缺陷的弥合机制。