科学网—上海交通大学高温热防护涂层团队范晓慧等：原位碳热还原制备高强度各向异性ZrC/YSZ复合泡沫陶瓷的研究-清华大学出版社学术期刊的博文
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2026-2-4 09:42
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Fan X, Yao Q, Ni N, et al. High-strength anisotropic ZrC/YSZ composite foams achieved by in-situ carbothermal reduction of ice-templated YSZ foams. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221247
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221247
ResearchGate ： High-strength anisotropic ZrC/YSZ composite foams achieved by in-situ carbothermal reduction of ice-templated YSZ foams
1 、 导读
在高孔隙率的碳化锆（ ZrC ）陶瓷中实现高强度一直面临巨大挑战。本研究提出了一种新的原位合成策略：利用冰模板法制备的 3 mol% 钇稳定氧化锆（ YSZ ）泡沫作为反应模板，经碳热还原制备各向异性的 ZrC/YSZ 复合泡沫陶瓷。当其孔隙率约 70.9% 时，室温下平均轴向压缩强度高达 61.5 MPa 。研究首次发现 ZrC 不仅在致密的 YSZ 骨架表面生长，而且还在其内部成核生长。该现象与 YSZ 骨架中 Y³⁺ 的重新分布和 t ® c 的相变密切相关。该相变是决定复合泡沫陶瓷力学性能的关键因素。
2 、 研究背景
碳化锆（ ZrC ）作为超高温陶瓷（ UHTCs ）的重要成员，具有高熔点（ ~3500°C ）、低密度和高热导率等优异特性，是高超声速飞行器热端部件的理想材料。然而，传统的造孔方法（如部分烧结、牺牲模板法等）制备的多孔 ZrC 陶瓷往往强度较低（通常低于 6 MPa ，当孔隙率达 70% 时），且骨架结构不够致密。为了克服这些限制，本研究探索利用具有优异力学性能的 YSZ 作为模板，通过原位反应构建高性能多孔 ZrC/YSZ 复合泡沫陶瓷。
3 、文章亮点
1 ）创新工艺： 结合冰模板法与原位碳热还原法，构建了具有定向排布通道的各向异性结构。
2 ）超高强度： 在 ~70.9% 的高孔隙率下，轴向压缩强度达到 61.5 MPa ，显著优于现有文献报道的同类材料。
3 ）独特现象： 观察到 ZrC 颗粒不仅在表面生长，更在 YSZ 骨架内部成核。这与及 YSZ 的转变密切相关 。
4 ）性能杠杆： 阐明了碳热还原过程中 YSZ 基体中 Y 3+ 离子的重新分布及随之发生四方相（ t ）到立方相（ c ）的相变是调控力学性能的关键因素，其影响在某些情况下甚至超过了几何结构因素。
4 、研究结果及结论
论文以冰模板法制得 15 vol % 和 20 vol% 3YSZ 泡沫为反应模板，以酚醛树脂裂解得到的热解炭为碳源，研究 1500 ℃ ~1850 ℃温度区间内的原位碳热还原反应过程，结果表明：
（1） ZrC/YSZ 复合泡沫陶瓷复制了 3YSZ 模板的显微结构，呈现出典型的层状结构。随着反应温度升高， ZrC 含量增加。 YSZ 骨架表面和内部生成的 ZrC 纳米颗粒与基体结合紧密，如图 1 所示。
（2） TEM 表征分析证实了在 ZrC x O y 新晶粒附近 Y 元素发生偏析； YSZ 晶粒内部出现孪晶和反相畴界等； ZrC x O y 晶粒表面存在一层非晶碳，如图 2 所示。
（3） ZrC/YSZ 复合泡沫陶瓷具有显著的各向异性，轴向压缩强度（ 14.1 ~ 61.5 MPa ）显著高于径向压缩强度（ 2.0 ~ 8.9 MPa ），如图 3 所示。
（4） 轴向压缩强度与相对密度、显微结构、物相组成分析（图 4 ）表明， ZrC/YSZ 复合泡沫陶瓷的力学性能与单相多孔陶瓷泡沫（如 3YSZ 模板）不同，不符合 Gibson-Ashby 关系（强度随着壁厚 / 层间距比值的增加而提高）。复合泡沫中的 t -ZrO 2 和 c -ZrO 2 的含量对力学性能的贡献超过了几何结构的影响。
（5） 综合 SEM 、 Raman 和 TEM 结果，揭示了 ZrC/YSZ 复合泡沫陶瓷中 ZrC 在致密 YSZ 骨架形成机理，如图 5 所示。
研究结论：首次观察到 ZrC 晶粒在 YSZ 晶粒附近成核并生长，揭示其原位生长机理。尽管 t ® c 相变降低了 ZrC/YSZ 复合泡沫的强度，但 YSZ 骨架仍能提供极佳的支撑作用。在孔隙率为 70.9% - 77.8% 的范围内，复合泡沫的轴向压缩强度为 20.5 ~ 61.5 MPa 。高强度 ZrC/YSZ 复合泡沫的制备温度不应超过 1600 ° C 。
图 1 3YSZ 泡沫陶瓷模板和 ZrC/YSZ 复合泡沫陶瓷骨架横截面的背散射电子衍射图和孔隙率统计图
图 2 20vol%-1500 ℃ ZrC/YSZ 复合泡沫陶瓷的 TEM 图
图 3 3YSZ 和 ZrC/YSZ 泡沫陶瓷的应力 - 应变曲线和轴向、径向压缩强度统计柱状图
图 4 泡沫陶瓷轴向压缩强度与相对密度、壁厚 / 层间距以及物相之间的关系
图 5 在 3YSZ 骨架上原位生成 ZrC x O y 的机理图
5 、作者及研究团队简介
范晓慧博士（第一作者 / 通讯作者） ，上海交通大学材料科学与工程学院助理研究员，硕士研究生导师。目前主要从事多孔陶瓷、陶瓷纤维和陶瓷基复合材料的成分、结构设计以及二维纳米材料与陶瓷界面间强韧化机理研究。主要的研究方向有多孔超高温陶瓷复合材料、聚合物 / 陶瓷纤维、吸音降噪硅基复合涂层等。主持国家自然科学基金青年项目、国防重点实验室基金以及政府与企业横向课题等 10 余项。在 Corrosion Science 、 Journal of Materials Science & Technology 、 Journal of the European Ceramic Society 、 Journal of the American Ceramic Society 、 Materials Characterization 等国际主流期刊发表论文 29 篇，其中第一作者 / 通讯作者 10 篇；申请发明专利 16 项，授权发明专利 12 项。
个人主页： https://smse.sjtu.edu.cn/people/detail_new/20361
作者邮箱： xhfan@sjtu.edu.cn
上海交通大学高温热防护团队简介：
团队主要研究面向航空、航天等极端条件下应用的高温材料及热防护涂层材料，由国家级、省部级人才计划等 30 余人的中青年科研人员组成，承担了国家级和省部级科技项目 40 余项，在国际主流期刊发表论文 250+ 篇，多次获得国家级和省部级创新成果奖等；研究成果在我国第一代固液运载火箭、航空发动机和地面燃气轮机等工程应用。
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1 ） Wu S, Yan W, Ni N, et al. Densification of ceria-based barrier layer for solid oxide cells at lower sintering temperatures: A review. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(1): 9221001. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9221001
2 ） Feng X, Guo F, Luo L, et al. Engineering design of feedstock powder and relevant thermal–mechanical performance of thermal/environmental barrier coatings. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(2): 9221033. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221033
《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊， 2025 年发文量为 202 篇； 2025 年 6 月发布的影响因子为 16.6 ，连续 5 年位列 Web of Science 核心合集“材料科学，陶瓷”学科 33 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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