随着航空航天和高超声速飞行器技术快速发展，热防护系统面临越来越严苛的服役环境。材料不仅要承受超高温烧蚀，还要抵抗高速气流冲刷和机械损伤。碳纤维增强陶瓷基复合材料（CMC）因熔点高、热膨胀系数低、抗热震性能优异，被认为是极具潜力的新一代热防护材料。

然而，陶瓷基体固有的脆性始终是制约其性能提升的重要因素。如何在保持耐高温特性的同时提高材料韧性和抗烧蚀能力，一直是该领域的重要研究方向。

最新研究

近日，西北工业大学材料科学与工程学院团队在《Journal of Advanced Ceramics》发表研究成果，通过引入纳米级碳化锆（ZrC）颗粒，成功提升了C/C-ZrC-SiC复合材料的力学性能和抗烧蚀性能。

研究团队采用可熔融有机-无机杂化浸渗工艺制备材料。在高温熔融过程中，有机前驱体乙酰丙酮锆转化为纳米级ZrC颗粒，并在Si-Zr熔体作用下均匀分散于材料内部。

研究发现，这些纳米ZrC颗粒不仅起到了弥散强化作用，还能够诱导SiC基体发生3C-SiC向6H-SiC的多型转变。与此同时，颗粒的钉扎效应促进了位错缠结、交滑移以及变形孪晶的形成，从而有效提高基体的强度和断裂韧性。

工艺过程原理图

在高温烧蚀过程中，ZrC纳米颗粒进一步原位氧化生成纳米氧化锆（ZrO₂）。这些氧化锆颗粒分散于SiO₂基氧化层中，并发生马氏体相变，从而增强氧化层的塑性变形能力，使其更好地抵御等离子体火焰冲刷和热应力破坏。

得益于这种“纳米颗粒诱导相变”的设计策略，研究团队获得了性能优异的复合材料。优化后的样品弯曲强度达到207.5 MPa，断裂韧性达到7.12 MPa·m^1/2；在等离子体烧蚀测试中，其线烧蚀率仅为0.15μm/s，展现出优异的耐烧蚀能力。

未来展望

研究人员认为，该工作揭示了纳米ZrC颗粒增强C/C-ZrC-SiC复合材料的强化增韧机理，为极端热环境下高韧性、耐烧蚀陶瓷基复合材料的设计提供了新的思路。未来团队还将进一步研究纳米颗粒与陶瓷基体之间的界面作用机制，并重点开展超高温烧蚀行为及高温力学性能方面的研究。

对于航空发动机、高超声速飞行器以及再入飞行器等领域而言，这种兼具高强度、高韧性和优异抗烧蚀能力的新型复合材料，有望成为下一代先进热防护系统的重要候选材料。

粉体圈Coco编译