抗燒蝕C-C-SiC-ZrB2復合材料研究.pdf

1、開發(fā)可服役于高于2000oC環(huán)境的超高溫材料已成為新一代空天飛行器熱防護系統(tǒng)和動力系統(tǒng)研發(fā)的技術(shù)瓶頸，碳/碳(C/C)復合材料是可應用于上述環(huán)境的主要備選材料之一，目前大量研究將超高溫陶瓷引入C/C復合材料來提高該材料的抗燒蝕性能，但添加S iC對C/C和超高溫陶瓷改性C/C復合材料抗燒蝕性能的影響尚不明確，引入陶瓷相的分布和結(jié)構(gòu)對改性C/C復合材料抗燒蝕性能的影響亦鮮見報道，本文主要針對以上問題選用ZrB2和SiC為添加相、在氧乙炔多

2、元環(huán)境中研究改性C/C復合材料的燒蝕行為。
　　本文以2D針刺碳氈為預制體、以天然氣為熱解碳前驅(qū)體、以聚碳硅烷和ZrB2的有機聚合物為添加陶瓷相的前驅(qū)體，采用前驅(qū)體浸漬裂解(PIP)和熱梯度化學氣相沉積(TCVI)工藝制備了不同結(jié)構(gòu)和分布的SiC、ZrB2、ZrB2-SiC改性的C/C復合材料，通過三點彎曲測試、激光閃射法考察了材料的力學性能和熱物理性能，研究了氧乙炔不同熱流密度、單次-往復加載、不同加載時間等多元環(huán)境中改性 C/

3、C復合材料的燒蝕行為。借助 XRD、SEM、EDS、紅外雙色測溫等手段重點對材料燒蝕前后的物相、形貌、燒蝕過程中材料的表面溫度進行了觀察、表征和分析，針對燒蝕過程中材料表面溫度和陶瓷顆粒在表面的積累探討了改性C/C復合材料的氧化和機械剝蝕，主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　通過調(diào)整PIP和TCVI工藝參數(shù)，制備了SiC分別分布于無緯布層和網(wǎng)胎層的兩種C/C-S iC復合材料，研究了添加S iC和S iC分布對C/C復合材料三點彎曲行為

4、、熱導率及抗燒蝕性能的影響，結(jié)果表明：S iC在無緯布層分布時，與C/C復合材料相比，由于前驅(qū)體裂解過程中無緯布層中的連續(xù)碳纖維被氧化性裂解產(chǎn)物腐蝕，導致改性C/C復合材料三點彎曲強度下降，模量上升，熱導率無明顯變化；SiC在網(wǎng)胎層分布時，改性C/C復合材料的強度略高，模量無明顯變化，但斷裂延伸率減小，因基體中界面等缺陷增加，熱導率明顯下降；在熱流密度為2.38MW/m2的環(huán)境中，SiC的燒蝕速率低于熱解碳，其氧化產(chǎn)物 SiO2能夠填充

5、 C/C復合材料燒蝕過程中出現(xiàn)的孔隙等缺陷，使抗燒蝕性能提高；在4.18MW/m2的環(huán)境中燒蝕時C/C-SiC復合材料表面溫度高于2000 oC，SiO2快速揮發(fā)導致S iC消耗速率大于熱解碳，在基體中引發(fā)大量缺陷，促使燒蝕率高于C/C復合材料；因網(wǎng)胎層體積含量高于無緯布層，SiC分布于網(wǎng)胎層時其在不同熱流密度環(huán)境中對C/C復合材料抗燒蝕性能的有益或有害作用進一步凸顯。
　　制備了陶瓷相分布于纖維-基體界面處的C/C-ZrB2和C

6、/C-ZrB2-SiC復合材料，研究了添加 SiC對 C/C-ZrB2復合材料三點彎曲行為、熱導率、抗燒蝕性能的影響，結(jié)果表明：不同熱流密度環(huán)境的60s燒蝕測試，由于SiC的氧化產(chǎn)物SiO2的蒸汽壓隨溫度快速上升，C/C-ZrB2-SiC在熱流密度增加時其燒蝕率增幅大于C/C-ZrB2；同一環(huán)境燒蝕過程中試樣表面溫度主要受材料比熱容、熱導率等特性控制，但ZrO2和SiO2的積累對表面溫度也有重要影響；在熱流密度2.38 MW/m2環(huán)境中

7、以60s為時間單位往復燒蝕時，SiC的引入可以提高C/C-ZrB2復合材料的抗燒蝕性能；在熱流密度2.38 MW/m2環(huán)境中不同時長的燒蝕顯示，SiC在燒蝕初期可以降低表面溫度，形成富SiO2亞層填充孔隙等缺陷，使C/C-ZrB2-SiC具有比C/C-ZrB2更優(yōu)的抗燒蝕性能，但隨著燒蝕時間的延長SiO2消耗加速，C/C-ZrB2-SiC的表面溫度和C/C-ZrB2趨于一致，二者燒蝕率也逐步接近。
　　制備了ZrB2和ZrB2-S

8、iC分布于基體中的C/C-ZrB2和C/C-ZrB2-SiC復合材料，陶瓷相含量與前述ZrB2和ZrB2-SiC在界面處分布時相等，對比了兩種陶瓷相分布的差異，結(jié)果表明：受前期沉積熱解碳的影響，ZrB2和 ZrB2-SiC在基體中分布較界面分布呈現(xiàn)出一定的聚集態(tài)；因碳纖維受到前期沉積的熱解碳保護，改性C/C復合材料的三點彎曲強度明顯高于界面分布的材料；基體中分布的ZrB2和ZrB2-SiC在復合材料的基體中引入了新的界面、裂紋等缺陷，導

9、致陶瓷相在基體中分布時材料的熱導率低于在界面處分布的材料；ZrB2和ZrB2-SiC在基體中分布的C/C-ZrB2和C/C-ZrB2-SiC復合材料，經(jīng)過高溫熱處理，材料中出現(xiàn)裂紋，三點彎曲強度和模量均發(fā)生下降，熱導率提高，在2.38 MW/m2環(huán)境中的燒蝕率增大而在4.18 MW/m2環(huán)境中的燒蝕減弱，裂紋的愈合和對局部熱應力的緩解是造成上述燒蝕行為變化的主要原因；受機械剝蝕影響，ZrB2和ZrB2-SiC分布于纖維-基體界面處比分布

10、于基體中更有利于復合材料抗燒蝕性能的提高。
　　制備了ZrB2-SiC在微區(qū)以分離態(tài)和混合態(tài)存在的C/C-ZrB2-SiC復合材料，對比顯示：兩種材料三點彎曲行為相似；ZrB2-SiC在微區(qū)以分離態(tài)存在時，改性C/C復合材料的熱導率較低；由于 ZrB2-SiC在微區(qū)以混合存在時，高溫環(huán)境 SiC的快速消耗會促進ZrB2的剝離，因此ZrB2-SiC在微區(qū)以分離態(tài)存在時改性C/C復合材料的抗燒蝕性能較好。
　　分別制備了ZrB2

11、和SiC在無緯布層偏聚以及ZrB2-SiC均勻分布的三種C/C-ZrB2-SiC復合材料，無緯布層中 ZrB2以小顆粒狀存在而 SiC以連續(xù)相分布于纖維之間。無緯布層中ZrB2含量的增加比SiC更有利于改性C/C復合材料三點彎曲強度和模量的提高，但材料的斷裂延伸率隨之減??；不同熱流密度環(huán)境的燒蝕顯示 S iC在無緯布層偏聚時C/C-ZrB2-SiC復合材料的燒蝕率最低，ZrB2和SiC在高溫燒蝕過程中引發(fā)的不同缺陷以及陶瓷相自身結(jié)構(gòu)是構(gòu)