近日，西安交通大学航天航空学院刘益伦教授团队在国际知名期刊《Extreme Mechanics Letters》发表了一篇关于《Multiscale structure-mechanical property relationship and data-driven design of ultra-high temperature ceramics: A review》的综述论文。该综述系统阐述了超高温陶瓷（UHTCs）的多尺度结构-力学性能关系及数据驱动设计进展，并分别从纳观尺度、微观尺度和介观尺度剖析了多层级结构的高温微结构演化和失效行为及强韧化策略。并进一步讨论了数据驱动方法对UHTCs性能的高效预测与结构优化进展。最后，提出了多层级结构调控策略实现UHTCs高强高韧的展望。

内容概述

       随着航空航天技术的快速发展，高超音速飞行器鼻尖、航空发动机喷嘴、可重复使用航天器热防护系统等关键航空航天部件在服役过程中需要面临剧烈升温和极端高温等苛刻环境，对热端部件材料的综合性能提出了日益严苛的要求。超高温陶瓷（UHTCs）主要由过渡族金属元素的硼化物（如二硼化铪、二硼化锆、二硼化钛）、氮化物（如氮化钽、氮化铪、氮化锆）和碳化物（如碳化钽、碳化铪、碳化锆）等组成，其熔点超过3000°C，具有高熔点、高温强度高、强抗氧化性等优点，有望满足上述极端环境的热防护要求。

       UHTCs材料是由高度有序的晶体结构通过成核和生长形成具有不同晶粒大小、形状及界面特征的多晶结构，然后通过晶粒的进一步组织化形成宏观结构，具有显著的多级结构特征。因此，纳米尺度下的晶格缺陷、晶界，到介观尺度下的孔隙与宏观尺度下的不均匀性，均对材料力学行为有着直接影响（图1）。我们通过系统文献调研发现，超高温陶瓷的宏观材料强度较晶体强度衰减了两个量级以上，其断裂韧性低且具有较大分散性。此外，高温环境下陶瓷晶体本征力学性能的退化也会加速微结构尺度上的疲劳损伤演化，显著缩短材料的整体服役寿命（图2）。因此，阐明超高温陶瓷的多尺度结构-性能关系，厘清相应的多层级优化与调控策略，对于实现超高温陶瓷的高强高韧至关重要。

图1. 超高温陶瓷多级结构

图2. 高温环境下UHYCs微结构演化行为与力学性能

       在纳米尺度（图3），点缺陷、线缺陷和面缺陷是影响超高温陶瓷力学性能的主要因素。即使是低浓度的空位，也会使二硼化锆的热导率降低近一个数量级；在辐照环境下，孤立空位易发生聚集，形成位错环和纳米孔洞，从而严重削弱材料的结构完整性。特别地，纳米尺度缺陷与微观尺度晶界行为之间存在复杂的跨尺度耦合效应，进一步加剧了超高温陶瓷非线性力学响应。因此，提升材料强韧性的有效策略之一是通过控制烧结条件调节固溶体水平来构建多相结构体系，或制备由高度化学无序与高混合熵效应的高熵超高温陶瓷。

图3. 超高温陶瓷的纳观结构缺陷与强韧化机制

       在微观尺度（图4），微米级晶粒、孔隙以及微裂纹等是影响超高温陶瓷力学性能的主要因素。尽管晶粒细化至亚微米甚至纳米尺度能够显著提升材料的强度与硬度，并有效改善粗晶粒陶瓷中晶界结合力不足的问题，但其晶粒尺寸受材料组分和工艺参数等多因素协同调控。此外，孔隙不仅会降低材料在断裂过程中的有效承载面积，同时易诱发应力集中，显著降低材料的整体强度与断裂韧性。因此，微观尺度结构强韧化策略主要依赖于外源增韧机制，即通过引入第二相纳米颗粒抑制晶粒粗化和微尺度裂纹扩展。

图4. 超高温陶瓷的微结构缺陷与强韧化机制

       在介观尺度（图5），材料中的初始微缺陷会逐步演化为介观、宏观裂纹。相较于单相超高温陶瓷，超高温陶瓷基复合材料具有更优异的损伤容限和抗热冲击性能。然而，其基体与增强相之间的热膨胀系数不匹配及变形不协调，易引发残余热应力积累，从而导致基体开裂、界面脱粘等不可逆损伤行为。因此，介观尺度强韧化策略主要包括纤维增强（如短纤维增强，可同时提高断裂韧性并简化加工工艺）、碳纳米管增强（通过拔出效应、裂纹桥接及裂纹偏转等机制实现增韧）以及特殊结构设计（如双相结构与层状结构，通过几何位错和界面协同作用显著改善超高温陶瓷的力学性能）等。

图5. 超高温陶瓷介观尺度强韧化机制

       传统的半经验设计方法和试错策略既低效又耗费资源，难以高效模拟超高温陶瓷在多尺度和多场耦合环境下的复杂结构演变。相比之下，数据驱动方法在实现超高温陶瓷强韧化方面展现出显著优势。近年来，高通量计算已被成功引入该领域，通过显著提升性能预测、材料筛选与结构设计的效率，克服了长期制约陶瓷材料发现与开发的关键瓶颈，尤其在高熵超高温陶瓷的成分优化与性能评估中取得重要进展。基于此，本综述系统梳理了高通量计算在超高温陶瓷设计中的典型应用，并重点讨论了机器学习方法在材料性能正向预测与结构参数逆向设计中的前沿研究（图6）。

图6. 高通量计算框架和机器学习方法在超高温陶瓷领域中的应用

未来展望

       本综述指出，超高温陶瓷的力学行为受纳观、微观、介观多尺度结构特征共同影响，其强韧化设计目前仍面临较大挑战。而随着数值模拟和计算材料科学的快速发展，机器学习等新兴技术为超高温陶瓷材料的智能化设计提供了全新路径。例如，基于数据驱动的设计方法有望利用来自原子模拟、微观结构表征和宏观力学性能测试的多源数据集，进而构建用于预测超高温陶瓷材料在不同温度下微观结构演化和力学性能的跨尺度模型，实现微观结构与宏观性能之间的精准映射；同时，结合多目标优化策略的机器学习框架有望实现成分调控、结构构型与工艺参数等多维度协同优化，推动材料设计从局部参数调整向全局优化转变，为超高温陶瓷在极端服役环境下的强韧化与可靠性提升提供新思路。

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