近日，国际权威期刊《Journal of Crystal Growth》发表了湖北隆中实验室与武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室等团队合作完成的最新研究成果。该研究通过系统的热力学分析和创新性的高通量计算方法，首次全面揭示了碳化硅-碳化铪（SiC-HfC）复合薄膜在化学气相沉积（CVD）过程中的共沉积机制，为航空航天领域极端环境下的高性能耐高温涂层材料开发提供了重要的理论指导和技术支撑。固体火箭发动机的喷管喉衬在运行过程中需要承受超过2000°C的高温、高压、高速气流和颗粒冲刷等极端条件，传统的碳/碳（C/C）复合材料虽然具有轻质、高强等优势，但其抗氧化性能不足，需要通过涂层进行增强防护。然而，单一的碳化铪（HfC）涂层由于与C/C基体之间存在显著的热膨胀系数差异（HfC为6.59×10⁻⁶/°C，C/C为1.2×10⁻⁶/°C），容易导致涂层开裂失效；而碳化硅（SiC）涂层的热膨胀系数（3.2~5.1×10⁻⁶/°C）更接近C/C基体，且能在高温下形成具有自愈合能力的SiO₂玻璃层，但其超高温性能又不及HfC。因此，开发兼具两者优势的SiC-HfC复合薄膜成为解决这一技术难题的关键突破口。

研究团队采用先进的CALPHAD（相图计算）方法，对SiCl₄-HfCl₄-C₃H₈-H₂体系进行了系统的热力学建模，结合高通量计算技术生成了超过10万组数据，首次绘制出SiC-HfC复合薄膜相组成与沉积条件的全参数映射图。研究发现，沉积温度对薄膜组成具有决定性影响：在1000~1400°C的中温区间，SiCl₄与C₃H₈的反应效率更高，有利于SiC的优先沉积；而当温度升至1400~1800°C的高温区间时，HfCl₄的分解效率显著提升，使得HfC成为主导相。研究还精确确定了气体配比的"黄金窗口"：C₃H₈/(SiCl₄+HfCl₄)的比例必须严格控制在0.15~0.3之间，比例过低会导致碳化不足而产生Si或HfSi₂等杂质相，比例过高则会引起石墨相的析出；同时H₂/(SiCl₄+HfCl₄)的比例需大于50，最佳范围在50~100之间，适量的氢气既能促进HfCl₄的充分分解，又能有效抑制石墨的形成，但过量氢气（>150）可能导致SiC的分解。在压力控制方面，研究发现在低于10kPa的低压条件下配合高温（>1600°C）容易引发石墨相的生成，而先驱体SiCl₄与HfCl₄的比例则直接决定了最终薄膜中两种组分的相对含量，当二者比例为1:1时可获得SiC与HfC摩尔分数接近的理想复合相。

这项研究的重大创新在于首次将高通量计算方法应用于SiC-HfC薄膜的组分精准调控，实现了从经验摸索到理论预测的重大跨越。通过建立完整的参数数据库，研究人员可以针对不同应用需求，精确设计薄膜的组分比例。例如，在1000°C、10kPa、C₃H₈/(SiCl₄+HfCl₄)=0.2的条件下可获得SiC含量达70%的薄膜；而在1600°C、5kPa、H₂比例=100时则可制备HfC含量超过60%的薄膜。这种基于理论指导的精准制备方法，不仅大幅减少了传统"试错法"的研发成本，更为工业化生产提供了可靠的技术路线。该技术的应用前景十分广阔：在航天领域，SiC-HfC复合涂层可显著提升固体火箭发动机喉衬的抗烧蚀性能；对于高超声速飞行器，通过梯度设计的SiC-HfC薄膜能够适应1000~1800°C的宽温域工作环境；在核能领域，这种复合涂层还有望用于反应堆包壳材料，结合HfC的耐辐照性能和SiC的抗氧化性，进一步提升核燃料元件的安全性能。研究团队负责人表示，这项技术不仅适用于SiC-HfC体系，其方法论还可推广至其他多元陶瓷涂层的开发，如ZrC-TaC等体系，为下一代超高温材料的设计开辟了新思路。

目前，研究团队正着手开展实验验证工作，计划通过脉冲CVD、等离子体辅助CVD等先进工艺进一步提升薄膜的均匀性和性能稳定性。值得一提的是，该研究的所有计算数据和相图已通过期刊公开发表（DOI:10.1016/j.jcrysgro.2024.128051），供全球科研人员共享使用，对原文感兴趣的读者请与我们联系。