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广泛应用于航空发动机和地面燃气轮机中的热障涂层具有低热导率和良好的耐温性能，能够降低涡轮叶片表面温度，使高温结构件能在高于其熔点的环境中长时间高效率的服役。热障涂层的性能和寿命受到陶瓷层材料与其结构的直接影响，采用可控原料粉末对陶瓷涂层进行微观结构调节的方法可以减少涂层中的应变-应力失配，具有操作灵活、效果显著、调控范围广等优势。针对传统热障涂层应变容限低，抗热震性能不足等问题，本团队开发了静电喷雾技术结合相分离原理（ESP）制备新型热喷涂微球粉末的造粒理论和实现方法，实现了对粉末形貌结构的精确构筑，可用于制备核壳、均质和层级孔等全体系喷涂微球粉末。与传统的喷涂粉末相比，其中层级孔微球粉末（由特殊的纳米-微米层级跨尺度孔构成）呈现耐烧结、低热导率、高比强度及95%以上的高温波段反射率特点。使用层级孔微球粉末喷涂的热障涂层由于层级孔特征结构的保留，展现出优异的力学性能和隔热性能，热循环寿命提升2倍以上，热导率下降50%以上，且在服役过程中体现出良好的抗烧结性能。ESP造粒技术为新型热障涂层材料从材料设计到工程应用提供了一种快速的涂层性能调控方法，现已成功应用于稀土锆酸盐、稀土钽酸盐和稀土掺杂 YSZ高熵体系等新型热障涂层的制备之中，随着层级孔结构对材料力学、光学、热学的深入研究及其内部拓扑结构的精确控制，未来将会在航空航天、军事国防、荧光测温等领域获得更为广泛的应用。
在镍基单晶高温合金基体上采用化学气相沉积法制备铂铝金属黏结层，并采用电子束物理气相沉积制备氧化钇部分稳定化的氧化锆（YSZ）陶瓷面层。研究了黏结层相组成对热障涂层循环氧化行为的影响，借助扫描电子显微镜（SEM）、X射线能谱分析（EDS）和X-射线衍射分析（XRD）等方法分析涂层的相结构、显微组织和化学成分。结果表明：黏结层主要成分包括Ni、Al、Pt、Co和Cr 元素并由β-（Ni,Pt）Al相和PtAl2相组成；经热循环测试后，涂层在热生长氧化物（TGO）和黏结层内部及其界面可能出现剥离；随着热暴露时间的延长，TGO层处的残余应力总体上呈现出逐渐减小的演变趋势；控制铂铝黏结层前驱体活性、Pt/Al元素含量、抑制脆性PtAl2相生成、改善TGO层/黏结层界面韧性和降低TGO层应力应变水平可有效延长铂铝黏结层体系热障涂层的热循环寿命。
系统研究大气等离子喷涂不同含量YO1.5掺杂氧化锆涂层（8YSZ、38YSZ和55YSZ）在1300 ℃下的环境沉积物（CMAS熔盐）腐蚀行为和机制。结果表明：8YSZ涂层会发生严重的CMAS熔盐腐蚀，在基体与CMAS界面处，通过溶解-再析出，生成非保护性、含Ca和较低Y含量的C-ZrO2，并有明显的晶界腐蚀现象；对于较高含量YO1.5掺杂的38YSZ和55YSZ涂层，随着反应的进行，除球状C-ZrO2外，还生成保护性的磷灰石（apatite）和石榴石（garnet）产物，能够有效阻止CMAS熔盐的进一步侵蚀；并且，55YSZ涂层表现出优于38YSZ的抗CMAS熔盐腐蚀能力。从光学碱度而言，YO1.5含量越高，涂层与CMAS熔盐的反应活性越高，越容易生成在CMAS熔盐中稳定存在的产物；从反应进程来分析，高YO1.5含量的涂层材料能够促使Y3+在CMAS熔盐中的饱和，进而生成更为稳定、连续的物相（如磷灰石、石榴石），避免基体材料进一步与CMAS熔盐接触、反应，从而提高了抗CMAS腐蚀能力。
稀土硅酸盐环境障涂层（EBCs）是应用于新一代高推重比航空发动机热端部件的重要材料，但在服役过程中，稀土硅酸盐面层易产生纵向裂纹，为腐蚀性介质进入EBCs体系内部提供通道，使硅黏结层发生氧化并产生裂纹，最终导致EBCs失效。二硅化钼（MoSi2）具有优异的高温性能，有望改善稀土硅酸盐EBCs体系的高温稳定性。本工作采用MoSi2改性Yb2SiO5面层，通过真空等离子喷涂技术（VPS）分别制备了以Yb2SiO5、Yb2SiO5-5%MoSi2（体积分数，下同）和Yb2SiO5-10%MoSi2作为面层，以Yb2Si2O7作为中间层，以Si作为黏结层的三种环境障涂层体系，利用场发射扫描电子显微镜表征了涂层在1350 ℃热震前后的形貌变化。结果表明：掺杂MoSi2不仅能改善涂层的损伤容限，还可消耗氧化性介质，减少其向涂层体系内部的扩散，使黏结层上TGO层厚度分别降低83%和88%，从而有效改善涂层体系的高温稳定性。
为了开发适用于苛刻工况的长寿命、高可靠的自润滑涂层，选择NiCoCrAlYTa作为黏结相，Ag作为润滑相，Mo作为增强相，采用超音速火焰喷涂（high-velocity oxy-fuel spraying，HVOF）技术在Inconel718高温合金基体上制备复合涂层。考察该复合涂层在室温及800 ℃循环交变条件下的摩擦学行为，研究磨损表面的形貌特征、化学成分、相组成，揭示摩擦过程中元素之间的相互作用以及摩擦表面的物理化学本质，探究其在高低温交变环境下的多循环“自适应”润滑机理。结果表明：复合涂层致密均匀，力学性能良好，主要有γ-Ni，β-NiAl，γ′-Ni3Al，Ag和Mo等物相；复合涂层表面生成的β-Ag2MoO4类层状润滑剂，可大大改善涂层在高温条件下的摩擦磨损性能；在多循环交变条件下，复合涂层后续循环摩擦因数较首次循环而言有所增大，但在室温条件下的磨损率却有所减小；这是涂层在高温条件下生成的β-Ag2MoO4类层状尖晶石润滑相与Al2O3、MoO3硬质相氧化物在摩擦剪切力的作用下相互影响而导致的。
高速切削是实现钛合金等难加工材料高效、高质量加工的有效技术方法。钛合金高速切削加工过程具有高温、高应变和高应变率的热力强耦合非线性动态特征。为了准确描述高速切削时钛合金动态力学行为，对钛合金动态本构模型的研究进行综述。以钛合金Ti-6Al-4V为研究对象，从唯象模型和物理学模型的角度，分析了Johnson-Cook模型、Zerilli-Armstrong模型、Bammann模型的适用条件及优缺点。经综合比较，选取Johnson-Cook模型开展进一步探究，并且基于温度影响和竞争机制影响对Johnson-Cook修正模型进行分类，Johnson-Cook修正模型的预测精度与经典模型的预测精度相比均有所提高；同时提出可将构建唯象-物理学复合本构模型作为探究钛合金动态本构模型的重点方向，采取实验与计算机同步方法得到本构模型参数的最优解，从而提高动态本构模型的预测精度。
连续SiC纤维增强钛基复合材料（SiCf/Ti复合材料）具有良好的比强度和综合力学性能，是新一代装备研制备受关注的轻质高温结构材料。SiCf/Ti复合材料可采用箔压法（FFF）和基体涂层法（MCF）进行制备，为对比两种工艺方法对其界面反应生长的影响，采用FFF和MCF分别制备SiCf/TC17复合材料。对两种工艺制备的SiCf/TC17复合材料在高温下（800~900 ℃）进行热暴露处理，通过扫描电镜对其微观结构及界面反应层厚度进行分析，获得界面反应层在高温下的生长速率，并进一步获得不同制备工艺状态下材料的界面反应动力学参数。结果表明：相同温度下MCF法制备的SiCf/TC17复合材料界面反应速率大于FFF法制备的复合材料，前者的反应速率因子k0为4.942×10−3 m/s1/2，反应激活能Q为276.3 kJ/mol，后者的界面反应速率因子k0为8.149×10−3 m/s1/2，反应激活能Q为291.7 kJ/mol。这是由于MCF法制备的钛合金基体具有更微小的相组织，具有较小的反应激活能，在高温下具有更高的元素扩散速率。
采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜和力学拉伸试验机，研究160 mm 7050-T7651铝合金特厚板不同厚度位置的金相组织、晶粒取向、织构类型、时效纳米析出相分布以及力学性能的差异。结果表明：从板材表层到心部，组织中的第二相粒子含量降低，但尺寸增加；板材表层以小角度晶界亚结构组织为主，小角度晶界比例在79%~85%之间，而板材心部小角度晶界的比例为58%左右，相比于板材表层小角度晶界比例降低了26.6%~31.8%；板材表层以{001}＜110＞剪切织构为主，占比为3.64%，并随厚度增加，变形织构组分含量逐渐增多；板材厚度方向力学性能呈现出沿厚度表层-心部-表层方向先降低后升高的趋势，且力学性能最优位置均为板材表层位置。
采用激光金属沉积工艺对成分重组设计后的Nb-Mo-Ta-W系难熔高熵合金进行成形制备，利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对（NbMoTa）90W10和（NbMoTaTi）90W10两种高熵合金的相结构、缺陷与微观组织进行了表征分析，并通过多功能力学试验机对两种合金进行室温拉伸性能测试。结果表明：（NbMoTa）90W10和（NbMoTaTi）90W10两种高熵合金均为单相体心立方结构；Ti元素在Nb-Mo-Ta-W系合金中的晶界处形成了“液态薄膜”，可实现对沿晶裂纹的良好抑制；冶金缺陷的减少以及Ti元素引入的晶格畸变效应，（NbMoTaTi）90W10高熵合金的室温力学性能提升，屈服强度达到1156 MPa。
针对航空发动机叶片前缘外物损伤（foregin object damage，FOD）后疲劳性能严重下降的问题，采用激光冲击/机械喷丸复合强化对TC4钛合金薄壁试样进行表面处理。采用X射线衍射测量复合强化前后试样表面残余应力梯度分布；通过硬度计预制不同形状的凹坑在试样表面引入FOD，利用电磁振动台测试处理前后TC4钛合金薄壁试样的高周一阶振动疲劳寿命；通过扫描电镜分析疲劳断口形貌；采用有限元动力学数值仿真模拟FOD前后试样表面残余应力分布演化规律，揭示了复合强化层对FOD缺口疲劳性能的影响机制。结果表明：相比未强化的FOD和无FOD试样，复合强化FOD试样的平均疲劳寿命分别提高了370%和60%；复合强化后试样表层形成的深层残余压应力场（厚度500 μm）是提高FOD试样疲劳寿命的重要原因。
针对固体推进剂所面临的Al粉燃烧不充分和微纳尺度下组分偏聚两大关键问题，采用组分复合技术设计制备一种将氧化剂AP包覆在氟化物改性Al粉表面的含能微单元Al@PFPE@AP核壳型粉体，通过扫描电子显微镜、激光粒度仪、氧弹量热仪、电感耦合等离子发射光谱仪以及X射线衍射仪等对微单元粉体的形貌、粒径、燃烧性能以及燃烧产物进行分析。结果表明：含能微单元Al@PFPE@AP呈现明显的核壳结构，粒径较均一；当PFPE的添加量为5%（质量分数）时，相比于机械混合样品（AP+Al），Al@5%PFPE@AP的燃烧热值提高了63.8%，燃烧产物粒径减小了61.8%，燃烧产物中活性铝含量减少57%以上；PFPE可以与Al粉发生预点火反应，增加Al粉的反应活性，并且Al粉表面对AP分解有催化作用，使AP的高温分解温度和低温分解温度分别降低了12 ℃和10 ℃；核壳型微单元结构对体系燃烧性能的提升有明显的促进作用，能够大幅度提高推进剂主要组分燃烧时的能量水平。
2.5D机织碳纤维增强树脂基复合材料以其在力学性能和复杂构件成型两方面的综合优势，在大涵道比商用涡扇发动机风扇叶片方面具有巨大的应用前景。对发动机风扇叶片来说，振动疲劳是一种不可忽视的工况条件，目前2.5D机织复合材料振动疲劳方面的实验与数值预测模型十分有限。本工作针对一种模拟发动机叶片根部的2.5D机织复合材料悬臂梁结构，建立一阶弯曲振动疲劳行为模拟的多尺度模型，并基于固定周期跳跃的疲劳加载模拟方法，结合主导疲劳失效机制的损伤萌生准则和疲劳刚度退化模型，开展2.5D机织复合材料经、纬向试件振动疲劳实验过程的模拟。基于建立的多尺度模型分析试件危险部位单胞内的应力场，预测经、纬向试件振动疲劳实验后的损伤状态。数值模拟结果与实验后的断口形貌观测结果吻合，验证了本工作提出的2.5D机织复合材料振动疲劳多尺度预测模型的有效性。基于提出的振动疲劳多尺度预测模型，对随着疲劳加载次数累积经向试件工作段单胞内的损伤状态进行了仿真，揭示了2.5D机织复合材料振动疲劳损伤的演化机理。
聚硼硅氧烷属于超分子材料，材料本身具备物理交联网络结构，具有耐高低温、耐候、电绝缘、自修复等特性，但现有方法制备的聚硼硅氧烷材料力学性能差，限制了其在一些领域的应用。本工作采用高分子量聚甲基乙烯基硅氧烷（VMQ）与硼酸（BA）在高温环境下反应，制备一种含乙烯基的聚硼硅氧烷，通过引入乙烯基结构和气相法白炭黑，经热硫化处理，得到具有表面自粘性的聚硼硅氧烷复合材料。测定聚硼硅氧烷复合材料的结构、动态力学性能、热稳定性、力学性能以及自粘性能，通过红外反射光谱确认B—O—Si结构。结果表明：聚硼硅氧烷复合材料的内部形成了B∶O动态键，材料表面具有一定的自粘性能，自粘形成的剥离强度能达到4 N/cm，拉伸强度可达4.154 MPa，5%热失重温度为394.8 ℃，具有良好的力学性能和热稳定性。
采用易于规模化的湿法包覆工艺成功制备了石墨烯纳米片与聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）∶聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT∶PSS）共包覆的LiCoO2正极材料（GP-LCO），使用X 射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）及电化学测试方法研究包覆前后材料的晶体结构、微观形貌及电化学性质。结果表明∶均匀分散的石墨烯纳米片（1%，质量分数，下同）与PEDOT∶PSS （2%）在LiCoO2颗粒表面形成均一的包覆层；电化学测试结果表明，石墨烯纳米片与PEDOT:PSS所形成的复合包覆层不仅提升了材料的电化学反应速率，还改善了电化学反应的可逆性；经过表面包覆的GP-LCO添加2% Super P导电剂所制备的电极，在2.5~4.5 V（vs. Li+/Li）的电压范围内，0.1 C倍率下首次放电比容量173.9 mAh/g，10 C倍率下仍能表现出118.0 mAh/g的放电容量，循环性能和倍率性能均优于未包覆的LiCoO2材料（LCO）。
