褚衍輝：開啟多孔陶瓷變身之路，成就航空航天材料新天地

2024-03-01
來源：中國粉體網空青

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[導讀] 褚衍輝團隊長期以來聚焦于高熵超高溫陶瓷材料的研發(fā)。

中國粉體網訊

個人簡介

褚衍輝，1987年8月出生，山東棗莊人，華南理工大學材料科學與工程學院研究員、博士生導師。國家優(yōu)秀青年基金獲得者、中科協(xié)青年人才托舉工程項目入選者；兼任中國硅酸鹽學會特種陶瓷分會青年工作委員副主任委員、中國硅酸鹽學會測試技術分會理事。

研究方向

（1）高熵陶瓷及粉體材料

（2）新型超高溫防護涂層及納米材料

（3）材料基因工程

成績不菲，多個“首次”

褚衍輝，本科就讀于濟南大學物理專業(yè)，碩博就讀于西北工業(yè)大學材料學專業(yè)，2014年1月-2015年9月，受國家留學基金委資助赴美國哈佛大學博士聯(lián)合培養(yǎng)學習；2016年9月-2019年9月，就職于華南理工大學，任副研究員（破格）、碩導；2019年9月至今，任研究員（破格）。

超高溫陶瓷材料屬于戰(zhàn)略性高技術材料，是國家重大戰(zhàn)略亟需發(fā)展的材料，廣泛用于航空航天發(fā)動機、空天飛行器熱防護、航空剎車、核能以及高速切削刀具等極端環(huán)境下服役的部件中。然而，隨著航空航天、國防軍工等國家重大戰(zhàn)略對超高溫陶瓷材料性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)超高溫陶瓷材料已經無法滿足使用需求。因此，發(fā)展可應用于未來極端條件下的新型超高溫陶瓷材料不僅是目前國內外學術界研究的熱點問題，而且也是滿足我國航空航天、國防軍工等國家重大戰(zhàn)略需求。

褚衍輝在李賀軍院士和董紹明院士的細心悉心指導下，一直從事國防武器裝備極端環(huán)境下服役的新材料研發(fā)工作。同時也做出了不菲的成績，實現(xiàn)多個“首次”：

（1）在國際上率先開展了高熵超高溫陶瓷材料系統(tǒng)而深入的研究，首次建立了高熵超高溫陶瓷材料全面系統(tǒng)的形成能力理論判據(jù)。首次采用熔鹽法、硼熱還原法、硼/碳熱還原法、碳熱還原法以及聚合物先驅體轉化法等方法合成出系列高純、超細/納米級、成分均勻的高熵超高溫陶瓷粉體，揭示了相關的合成機理，為實現(xiàn)成分和結構可控的高熵超高溫陶瓷粉體合成提供了理論指導。

（2）揭示納米材料的新型生長機理，實現(xiàn)了系列新型SiC納米材料的可控生長。在國際上首次提出一種原位CVD可控合成新方法合成SiC納米材料，實現(xiàn)了系列新型SiC納米材料的可控生長；首次發(fā)現(xiàn)了納米材料的高溫Plateau-Rayleigh以及螺位錯等新型生長機理，并建立了相應的生長模型，豐富和發(fā)展了納米材料的生長機理，為實現(xiàn)新型納米材料的可控生長提供了理論指導。

（3）采用超高壓燒結技術在國際上首次合成了高熵碳化物納米晶陶瓷。

不懼高溫，革命性陶瓷材料的誕生

除以上成就，其最令人矚目的成就就是——新型高熵多孔硼化物材料，在50% 氣孔率之下實現(xiàn)了337MPa的壓縮強度、以及0.76Wm-1K-1的熱導率。它兼具優(yōu)異的力學強度和隔熱性能，有望用于新一代高超聲速飛行器熱端隔熱部件。

據(jù)了解，褚衍輝團隊長期以來聚焦于高熵超高溫陶瓷材料的研發(fā)。倘若這款多孔陶瓷能被用于高超聲速飛行器熱端隔熱部件，便能有效避免高超聲速飛行器表面高溫環(huán)境對于內部零部件所造成的不良影響，大幅提高新一代飛行器的服役可靠性。

實際上，褚衍輝課題組剛開始此次研究時，其安排的研究生學生甚至打起退堂鼓，原因在于多孔陶瓷是一個很早的研究課題，在20 世紀 70 年代便已有系統(tǒng)性的文獻報道，針對多孔陶瓷結構力學強度和隔熱性能的優(yōu)化，相關的報道、文獻數(shù)不勝數(shù)。如何做出自己的特色并實現(xiàn)性能突破？是褚衍輝一直在思考的問題。

在偶然一次實驗中他們發(fā)現(xiàn)，當采用超快速燒結設備制備致密的高熵硼化物陶瓷時，雖然能夠獲得一個完整的塊體。但是，上述材料明顯不具備致密陶瓷該有的重量和光澤，因此顯然是一個多孔材料。于是便讓負責的學生測試了該材料的力學性能，結果驚喜發(fā)現(xiàn)它有幾十MPa的壓縮強度，明顯高于目前多孔陶瓷的壓縮強度。