PIP工藝制備C-ZrC(ZrB2)-SiC復(fù)合材料及其性能研究.pdf

1、高超聲速飛行器的快速發(fā)展對(duì)熱結(jié)構(gòu)部件提出新的需求，迫切需要開(kāi)發(fā)具有良好力學(xué)性能和抗燒蝕性能的耐超高溫材料。連續(xù)纖維增強(qiáng)超高溫陶瓷基復(fù)合材料具有耐超高溫、高韌性、抗燒蝕等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注，并進(jìn)行了大量研究。本文以中科院過(guò)程所生產(chǎn)的ZrC、ZrB2先驅(qū)體為原料，采用先驅(qū)體浸漬-裂解工藝（PIP）制備了C/ZrC-SiC、C/ZrB2-ZrC-SiC超高溫陶瓷基復(fù)合材料，研究了PIP-SiC以及CVD-C界面涂層對(duì)復(fù)合材料性能的影響。

2、>　　研究了ZrC和ZrB2先驅(qū)體的結(jié)構(gòu)組成和裂解機(jī)理。確定兩種先驅(qū)體合適的裂解溫度均為1500℃，其陶瓷產(chǎn)率分別為36.1％（ZrC先驅(qū)體）和29.4%（ZrB2先驅(qū)體）。對(duì) ZrC先驅(qū)體，在1200℃下，先驅(qū)體無(wú)機(jī)化完全，其裂解產(chǎn)物僅有 ZrO2和C，在1500℃時(shí)，ZrO2和C發(fā)生碳熱還原反應(yīng)，生成ZrC，反應(yīng)溫度是影響ZrC生成的主要原因。對(duì)于ZrB2先驅(qū)體，1300℃時(shí)開(kāi)始形成ZrB2，其轉(zhuǎn)化過(guò)程通過(guò)ZrO2、B2O3以及C之

3、間的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。
　　分別以2D縫合纖維布和碳?xì)譃樵鰪?qiáng)體制備了C/ZrC-SiC和C/ZrB2-ZrC-SiC復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，真空-加壓浸漬工藝和真空浸漬工藝的致密化效率基本相同。根據(jù)先驅(qū)體裂解轉(zhuǎn)化過(guò)程，確定了每3輪1200℃無(wú)機(jī)化處理加一輪1500℃熱處理的工藝，以減少對(duì)碳纖維的損傷。制備的C/ZrC-SiC復(fù)合材料密度2.30g/cm3，孔隙率33.0%，彎曲強(qiáng)度62MPa，彎曲模量17GPa；C/ZrB2-ZrC-

4、SiC復(fù)合材料密度1.90g/cm3，孔隙率20.0%，彎曲強(qiáng)度56.85MPa，彎曲模量22.46GPa。對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)分析表明：碳熱還原反應(yīng)過(guò)程對(duì)碳纖維造成了一定程度的損傷，纖維強(qiáng)度降低，纖維與基體間形成強(qiáng)的界面結(jié)合，基體呈多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，傳遞載荷的能力較低。
　　通過(guò)在碳纖維表面制備PIP-SiC和CVD-C涂層，以期減少碳熱還原反應(yīng)對(duì)碳纖維的損傷。
　　研究 PIP-SiC涂層對(duì) C/ZrC-SiC復(fù)合材料性能的影響

5、，結(jié)果表明：制備涂層后，復(fù)合材料密度增加，孔隙率下降，當(dāng) PIP-SiC含量達(dá)15.4vol%時(shí)，密度由2.30g/cm3增加到2.50g/cm3，孔隙率由33.0%下降到20.0%；當(dāng) PIP-SiC含量為5.6vol%時(shí)力學(xué)性能最優(yōu)，彎曲強(qiáng)度由58.1MPa提高到89MPa，斷裂韌性由3.6MPa·m1/2提高到4.5MPa·m1/2；兩種PIP-SiC含量的復(fù)合材料，1600℃10min氧化后彎曲強(qiáng)度保留率均可達(dá)91%，略高于無(wú)涂

6、層時(shí)的87%。制備涂層后氧乙炔焰燒蝕性能提高，當(dāng)涂層含量為15.4vol%時(shí)，線燒蝕率最小，為2.0×10-3mm/s。
　　研究CVD-C涂層對(duì)C/ZrC-SiC復(fù)合材料性能的影響，結(jié)果表明：當(dāng)以纖維布或碳?xì)譃轭A(yù)制件沉積20h時(shí)，復(fù)合材料密度最大，分別為2.50g/cm3，2.90g/cm3，均高于無(wú)涂層時(shí)的2.30g/cm3，隨涂層厚度增加材料密度下降；當(dāng)沉積時(shí)間為20h時(shí)，以纖維布為預(yù)制件制備的材料彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性均低于無(wú)