随着航空航天技术的不断进步，热结构材料的使用环境复杂严酷，具有超高温（>2000℃）、大热梯度和大应力、高化学活性气流以及复杂的热机械载荷等特点。碳纤维增强碳基体（C/C）复合材料由于具有低密度、低热膨胀系数、高导热性、优异的机械性能、良好的抗热震性和抗烧蚀性等优异的结构性能，已成为航空航天领域具有发展前景的高温热结构材料。但当应用于高温含氧环境时，C/C复合材料在450°C以上极易氧化，而且氧化会随着温度的升高而加剧，进一步导致C/C复合材料失效。C/C复合材料的高氧化敏感性将严重限制其在超高温和高速气体流动的含氧环境中的应用。

      使用硅基陶瓷或超高温陶瓷（UHTC）对基体进行改性是进一步提高C/C 复合材料抗氧化和抗烧蚀性能的有效方法。硅基陶瓷和超高温陶瓷通常具有高熔点、高导热性、良好的抗氧化性和抗烧蚀性以及高硬度，是含氧极端环境的潜在候选材料。然而，它们却因断裂韧性低和抗热震性差导致应用受到限制。在碳/碳复合材料中引入陶瓷，对碳基体进行改性，可以将上述两种材料结合起来，发挥各自的优势，这在满足日益增长的热防护材料要求方面被证明是非常有效的。已发表的研究证实，陶瓷改性不仅能显著提高C/C复合材料的抗氧化性和抗烧蚀性，在某些情况下还能改善其机械性能和功能性。

      西北工业大学李贺军院士团队将从"结构设计策略"的角度，重点介绍所在研究小组过去几年在陶瓷改性C/C复合材料方面取得的改进和进展，以及其他研究小组取得的一些重要进展，其中包含了其在这一领域的见解和想法。此外，作者还介绍了材料制备和结构设计的方法，并详细讨论了结构与性能之间的关系。最后，文章还讨论了陶瓷改性C/C复合材料的前景和未来挑战。

      相信这一述评文章不仅能为陶瓷改性C/C复合材料提供通用的设计方法，为其他研究人员提供理论和技术指导，还能为陶瓷、陶瓷基复材、金属基复材等其他材料的结构设计提供新思路。相关研究成果以“Novel Structural Design Strategies in Ceramic-Modified C/C Composites”为题，发表于《Accounts of Materials Research》。

图1. 陶瓷改性C/C复合材料的制作简图：(a) SI，(b) PIP，(c) CVI，(d) RMI，(e) CLVD

图2. (a) C/C-ZrC-SiC复合材料在氧乙炔焰下的烧蚀表面示意图：(1) 无纺布层，(2) 短切纤维网，(3) 层叠层（火焰与层叠层平行）；(b) LTC C/C-SiC和HTC C/C-SiC复合材料在烧蚀过程中的烧蚀测试照片 (1、2)、表面温度曲线 (3) 和背面温度 (4)；(c) 不同基底碳的 C/C-ZrC-SiC 复合材料的致密化和渗透效应示意图（1）、弯曲强度与位移的关系曲线（2）以及质量和线性烧蚀率（3）；(d）（1，2）PyC/SiC/TaC/PyC 多层夹层的微观结构和多层夹层 C/C 复合材料的多层拔模，(3) 碳纤维侵蚀行为示意图

图3. C/C 复合材料中陶瓷成分的分布类型：（a）均匀分布：（1）示意图，(2) 微观结构，(3) 陶瓷颗粒的大小，(4) 质量和线性烧蚀率；(b) 梯度分布：(1) 示意图，(2) C/C-ZrC-SiC 的横截面 SEM 图像，(3) (2) 中四个区域的 ZrC 和 SiC 体积百分比；(c) 选择性/截面改性：(1) 示意图，(2) 集成复合材料的横截面 SEM 图像，(3) 集成复合材料和致密 Cf/SiC 的弯曲应力-位移曲线；(d) 交替分布：（1）示意图，(2-4）C/(PyC-SiC)n 复合材料的抛光截面形态、EDS 线扫描、断口形态和名义弯曲应力-应变曲线；(e) "Z-pins like "棒材改性：（1）示意图，(2-4）带有 "类 Z 销 "棒的 C/C-ZrC-SiC 复合材料的三维模型、宏观样品和解吸机理

图4. 作为纳米加固材料的一维纳米材料类型：(a-c) CNTS：（a）弯曲试验后x/y方向的载荷-位移曲线，(b, c) CBCF-CNTs复合材料碳纤维的断裂表面形态；(d-f）硅基陶瓷纳米线：（d，e）SiCNWs-C/C复合材料的挠曲断裂形貌，(f) SiCNWs/PyC增韧C/C-ZrC-SiC复合材料中SiCNWs的拔出；(g、h）基于 UHTC 的纳米线：（g）碳纤维预型件中 HfCNW 的扫描电镜图像，(h）HfCNWs-C/C 复合材料的弯曲强度保持率；(i) ZrCNWs-C/C 复合材料的挠曲应力-应变曲线

图5. 涂层-基质改性组合策略的类型。(a-c) 陶瓷涂层的设计：(a) 单层/单相，(b) 单层/多相，(c) 多层/多相；(d) 陶瓷基体的设计；(e-g）界面粘接的改进：（e）一步制备法，(f) 预氧化处理，(g) 纳米材料增韧

结论：

实践证明，陶瓷改性C/C复合材料是提高C/C复合材料抗烧蚀和抗氧化性能的有效方法。目前，研究方向主要集中在材料制备工艺、部件设计与优化、抗烧蚀/抗氧化性能的改善等方面。在本报告中，研究人员从 "结构设计策略 "的角度，重点介绍所在研究小组过去几年在陶瓷改性 C/C 复合材料方面的改进和进展，以及其他团队在该领域取得的一些关键性进展，并结合作者在该领域的见解和思考。尽管在过去几年中该领域取得了重大进展，但仍然存在许多挑战，尤其是面对越来越极端的应用环境。未来，以下研究方向可能值得考虑。

      1. 为陶瓷改性碳/碳复合材料开发新的有效制造方法，以缩短制备周期、降低成本并提高复合材料的密度，特别是对于大型碳/碳复合材料部件而言，具有重要意义。优化和设计在极端环境中长期使用的复合材料部件和结构，同时平衡抗烧蚀性能和其他性能（机械、物理、热能等）应是当务之急。

      2. 通过第一性原理计算以及将机器学习融入组件设计和优化，可以预测最佳材料成分，将元素成分与晶体结构、微观结构和宏观性能联系起来。这种系统性的理解将为设计和优化针对严酷超高温环境的先进 C/C 复合材料提供一条清晰的道路。此外，应开发计算机模拟技术，以预测复合材料的热应力分布、形态演变和烧蚀行为，特别是复杂形状和使用环境下的热应力分布、形态演变和烧蚀行为，从而加快复合材料的开发进程并降低成本。

      3. 开发集主动散热和被动抗烧蚀于一体的协同热保护策略，以提高整体热耐久能力具有重要意义。低熔点合金可通过相变和汽化主动散热，显著降低停滞点温度，同时在表面形成持久的被动保护层，以抵御烧蚀并最大限度地减少材料损耗。此外，在微观层面定制复合材料的多组分结构，确保热耗散合金的有效分布和功能，并保持被动保护层的完整性，也值得关注。

      4. 目前评估陶瓷改性 C/C 复合材料抗烧蚀性能的标准在一定程度上是不准确的，因为它们通常只测量质量或线性烧蚀率，而忽略了烧蚀测试后的其他性能，如机械性能。这些评估通常在静态实验室环境中进行，无法复制高超音速飞行器所面临的动态条件，如高温、高频振动和热冲击。实际烧蚀涉及复杂的热-机械-化学多场耦合过程。因此，制定更全面的测试方法和性能评估标准至关重要，尤其是针对形状复杂的复合材料，这就需要建立一个耦合超高温性能测试平台，以更准确地模拟和评估实际使用条件下的烧蚀过程。

      如上所述，设计开发低成本、制备周期短、综合性能更高的复合材料制备新方法是未来研究的主要方向。在结构设计方面，根据不同部件在实际应用环境中对材料的具体性能要求，进行宏观结构设计和材料组成的微观可控构造，以获得具体的性能，满足不同部件的性能要求。通过以上措施，陶瓷改性 C/C 复合材料的综合性能和使用寿命有望得到显著提高，从而加快其在新一代飞机上广泛应用的步伐。