SiOC陶瓷及其复合材料的高温氧化行为研究进展

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0795

摘要/Abstract

摘要：

SiOC陶瓷因耐高温、低密度、低热导及低成本等优异特性，在航空航天防隔热一体化材料领域具有重要应用前景。然而，SiOC陶瓷在高温氧化环境中易发生结构破坏和性能退化，因此，有必要深入理解SiOC陶瓷的氧化行为，优化其抗氧化性能，从而使其满足更高的使用要求。本文系统综述了SiOC陶瓷氧化行为，总结了元素掺杂改性、复合材料设计及表面涂层三种抗氧化策略的研究现状，揭示其在高温环境下微观结构演变与宏观性能关系，并对后续复合材料的抗氧化研究和应用提出了发展建议。

关键词: SiOC陶瓷, 复合材料, 高温氧化, 基体改性, 元素掺杂, 热防护涂层

Abstract:

Owing to the excellent properties， including high-temperature resistance， low density， low thermal conductivity and cost-effectiveness， SiOC ceramics show significant potential for applications in thermal insulation materials for aerospace. However， SiOC ceramics are prone to structural damage and performance degradation under high-temperature oxidizing conditions， making it essential to gain an in-depth understanding of their oxidation behavior and to optimize their oxidation resistance to meet increasingly demanding service requirements. This paper systematically reviews the oxidation behavior of SiOC ceramics， summarizing recent advances in three antioxidant strategies： element doping modification， composite material design， and surface coating. It reveals the relationship between microstructural evolution and macroscopic properties in high-temperature， and provides developmental recommendations for subsequent research and application of oxidation-resistant composite materials.

Key words: SiOC ceramics, composite, high-temperature oxidation, matrix modification, elemental doping, thermal protective coating

中图分类号:

TB332

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图/表 11

图1 SiOC陶瓷的典型应用［5?8］

Fig.1 Typical applications of SiOC ceramics［5?8］

图2 SiOC陶瓷结构模型

Fig.2 Structure model of SiOC ceramics

图3 SiOC陶瓷氧化动力学［18］

Fig.3 Oxidation kinetics of SiOC ceramics［18］

表1 SiOC陶瓷氧化影响因素［17?18］

Table 1 Influencing factors of oxidation of SiOC ceramics［17?18］

因素	作用机制
温度	高温可提高扩散速率和反应速率，但可能加剧CO积聚风险
碳活性	低碳活性抑制CO积聚（被动氧化），高碳活性导致碳的直接消耗或结构重组（如石墨化），改变氧化产物的分布情况
环境气氛	氧分压、CO₂与CO的体积比通过调节碳活性间接影响氧化路径

图4 SiOC陶瓷微观结构随氧化温度演变的示意图［19］

Fig.4 Schematic diagram of evolution of SiOC ceramics microstructure with oxidation temperature［19］

表2 SiOC陶瓷抗氧化改性方法对比［20?31］

Table 2 Comparison of antioxidant modification methods for SiOC ceramics［20?31］

改性策略	核心机制	使用环境
元素掺杂	改变基体化学组成与相结构，原位生成保护相	中高温（约1 200 ℃）
复合材料设计	微观/介观结构增强，多相防护	承受热-力耦合载荷的复杂构件
表面防护涂层	物理屏障，隔绝氧环境	已有基体的表面强化与功能化

表3 元素掺杂SiOC陶瓷的相分离及结晶作用机制［25?40］

Table 3 Phase separation and crystallization mechanism of element-doped SiOC ceramics［25?40］

Doping element	Phase separation	Crystallization
Fe	+	+
Ti	+	+
Zr	-	+
Hf	-	+
Al	-	+
B	+	+

图5 Fe离子改性SiOC陶瓷生长SiC纳米晶TEM照片［27］

Fig.5 TEM images of Fe ion-modified SiOC ceramics growing SiC nanocrystals［27］

图6 SiOC/HfO2陶瓷块体在空气中不同温度下的氧化［35］

Fig.6 Oxidation of SiOC/HfO2 ceramic bulk at different temperatures in air［35］

图7 原位生长三维SiC纳米线的制备过程与SEM照片［31］

Fig.7 Preparation process and SEM images of in-situ grown 3D SiC whiskers［31］

图8 TaSi2基涂层的烧蚀机理示意图［34］

Fig.8 Schematic diagram of ablation mechanism of TaSi2-based coating［34］

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