PIP法制备C/ZrC-SiC复合材料工艺与性能研究

为了提高超高温陶瓷基复合材料的力学性能和耐烧蚀性能,本文采用前驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备了C/ZrC-SiC复合材料,研究了锆硅一体化陶瓷前驱体(ZS)的固化-裂解工艺对C/ZrC-SiC复合材料性能的影响。结果表明:前驱体的裂解温度对复合材料的力学性能影响较大。较高的裂解温度会损坏碳纤维,导致力学性能降低;较低的裂解温度会使碳热还原反应不充分,基体氧含量较高,结构疏松,导致力学性能下降;制备的C/ZrC-SiC复合材料通过了2 850 K的电弧风洞试验考核后线烧蚀率为8.75×10~(-4)mm/s,呈现出优异的耐烧蚀性能。     

2D C/SiC-ZrB2复合材料的烧蚀性能

用ZrB2微粉对2D C/SiC基体进行改性,研究了化学气相渗透结合浆料浸渍及先驱体浸渍裂解工艺制备2DC/SiC-ZrB2复合材料在氧-乙炔焰和1800℃甲烷风洞环境中的烧蚀行为.结果表明:在氧-乙炔环境中,2D C/SiC-ZrB2的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为6.1×10-2 mm/s和1.0×10 -2g/s,相对2D C/SiC复合材料而言,ZrB2微粉并没有提高C/SiC复合材料的抗烧蚀性能.在1800℃甲烷风洞环境中,涂层致密度起主要作用,涂层致密度相同时,复合材料的开气孔率越大,质量烧蚀率越大,ZrB2微粉的渗入对C/SiC复合材料的烧蚀性能影响不大.     

锆组元改性Cf / SiC 的制备及烧蚀性能

通过对Cf/Si C复合材料基体进行改性制备了碳纤维增韧的超高温陶瓷基复合材料,并研究了其结构形式及组分比例对高温抗氧化耐烧蚀性能的影响。电弧风洞的测试结果表明:经过超高温陶瓷改性的Cf/Si C复合材料的抗氧化耐烧蚀性能明显提高,其中陶瓷基体中Zr C含量约为40wt%时,高温抗氧化耐烧蚀性能提高尤为显著,其在600 s来流条件为2 400 K/Ma0.6/0.5 MPa的电弧风洞考核试验条件下,质量烧蚀率仅为7.37×10-5g/(cm2·s),有望满足超燃冲压发动机燃烧室的使用要求。     

固体冲压发动机喷管用C/C-SiC复合材料

采用"化学气相渗透+先驱体浸渍裂解"(CVI+PIP)混合工艺制备固体冲压发动机用C/C-SiC复合材料喷管内层,综合考查复合材料的微观结构、弯曲性能和抗烧蚀性能以及固冲发动机C/C-SiC喷管内层水压和点火实验。结果表明:复合材料的弯曲强度达到197 MPa,且断裂破坏行为呈现典型的韧性模式;复合材料具有优异的抗氧化烧蚀性能,氧化烧蚀200 s后线烧蚀率仅为0.0063 mm·s-1;研制的C/C-SiC复合材料构件的水压爆破压强为6.5 MPa,表明构件具有良好的整体承载能力;C/C-SiC复合材料喷管内层高温综合性能通过了固体冲压发动机点火实验考核。     

C/ C-Cu 复合材料的烧蚀性能

以聚丙烯腈预氧化纤维针刺毡为预制体,经碳化后采用CVI和树脂浸渍(IR)工艺制备出不同密度的多孔C/C预制件,然后采用气体压力浸渗方法制备了C/C-Cu复合材料.采用氢氧(H2-O2)焰对C/C-Cu的烧蚀性能进行测试考核.结果表明:以密度为0.99 g/cm3的C/C预制件制备出的C/C-Cu复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率均小于密度为1.9 g/cm3的C/C复合材料,其烧蚀性能良好;在烧蚀过程中C/C-Cu的铜基体的熔化吸收了大量的热量,降低了材料的表面温度,提高了材料的抗烧蚀性能;烧蚀机制主要是热氧化烧蚀和机械冲刷的综合作用.     

C/C-Cu复合材料的烧蚀形貌和烧蚀机理

以PAN预氧化纤维整体毡为增强体,经碳化、等温CVI致密化后制备多孔的C/C复合材料预制体,利用气体压力浸渗法将Cu引入C/C预制体中制备C/C-Cu复合材料。采用氢氧(H2-O2)焰考核C/C-Cu复合材料的烧蚀性能,经扫描电镜和电子能谱对不同烧蚀区域的微观结构和成分进行分析,结果表明:预制体密度为0.96 g/cm3的C/C-Cu复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为4.75μm/s、0.223 mg/s,烧蚀性能优良;其烧蚀表面具有不同的宏观形貌,在烧蚀中心区产生了明显的凹坑,主要烧蚀机制为C/C预制体的氧化和铜基体的机械冲刷;烧蚀过渡区聚集了大量的铜基体,其烧蚀机制为Cu的热氧化和机械冲刷;烧蚀边缘区材料表面变黑,主要因为C/C的氧化。为了提高C/C-Cu的烧蚀性能,需要发挥C/C预制体的"钉扎"作用,阻止Cu在高温下被气流冲刷而发生流动。     

C/C复合材料在再入模拟环境中烧蚀性能研究

为了研究轴棒法编织的高密度碳/碳(C/C复合材料在再入飞行时的烧蚀性能,采用热等离子体地面模拟再入烧蚀系统对C/C复合材料进行烧蚀试验。试验中分别采用氮气(N、氧气(O和空气作为工作气体,对比研究C/C复合材料在不同环境中的烧蚀率和烧蚀性能。结果表明,三种情况下试样的烧蚀率和微观形貌有很大差异;纯氧气时氧化反应的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.0423mm/s和0.0451g/s大于纯氮气时氮化反应的0.0314mm/s和0.0338g/s也大于空气成分时复合反应的0.0215mm/s和0.0208g/s在试样烧蚀的热影响区发生轻微开裂;三种工况下的烧蚀机理不同,分别是碳的升华、碳的氧化和碳氮反应的某种组合。     

ZrB2 改性C/ C-SiC 复合材料性能研究

采用碳纤维复合网胎针刺预制体,通过溶液浸渍工艺制备了碳纤维增强C/C-SiC和C/C-SiC-ZrB2陶瓷基复合材料,并对材料的力学、热物理和烧蚀性能进行了分析对比。结果表明:针刺C/C-SiC-ZrB2复合材料的面内弯曲强度、厚度方向的压缩强度、层间剪切强度分别为199、274和19.3 MPa,各性能均低于对应的针刺C/C-SiC复合材料。针刺C/C-SiC-ZrB2材料与针刺C/C-SiC材料相比,热导率得到大幅度提高,而线胀系数略微有所降低。2 500 K、600 s风洞试验后,针刺C/C-SiC-ZrB2复合材料表现出良好的抗氧化烧蚀性能,质量烧蚀率约0.4×10-4g/s。     

轴棒法编织C/C复合材料的超声速火焰烧蚀性能

为了研究轴棒法编织、高压浸渍-碳化致密工艺(HPIC)及高温处理工艺制成的高密度的碳/碳(C/C)复合材料在火箭发动机中的烧蚀性能,使用气氧和煤油超声速(HVO)火焰对复合材料进行含铝工况烧蚀/侵蚀实验,烧蚀时间为30s;对比研究了复合材料在有、无含铝粒子侵蚀时烧蚀性能的差别;分别用扫描电镜、微CT和表面能谱分析了不同工况烧蚀表面的形貌和成分。结果表明,在不同的烧蚀工况下,材料的表面粗糙度不同,微观形貌和烧蚀率也有很大差异;复合材料在无粒子侵蚀工况下的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.0318mm/s和0.0319g/s,烧蚀表面呈竹笋状和毛絮状,热化学烧蚀起主导作用;有粒子侵蚀时的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.0516mm/s和0.0353g/s,烧蚀表面呈钝竹笋状,纤维从根部断裂,热化学烧蚀和机械剥蚀同时起作用;在纤维和基体表面有Al2O3粒子沉积;含铝烧蚀/侵蚀的线烧蚀率是不含铝烧蚀的1.6倍,质量烧蚀率的1.1倍。在烧蚀区的内部,基体碳受热后开裂,而碳纤维与基体碳间的界面相受热后无明显变化。     

ZrC/SiC多组元改性C/C复合材料的制备及性能研究

以炭毡作为纤维增强体,采用化学气相渗透工艺研制出低密度的C/C复合材料,进而以低密度炭/炭复合材料为预制体,采用聚碳硅烷和有机锆前驱体作为复相陶瓷前驱体,采用先驱体浸渍裂解工艺成功制备出ZrC/SiC多组元改性C/C复合材料试样。借助万能电子试验机和扫描电镜进行材料的力学性能和微观结构分析。结果表明:包含ZrC颗粒的SiC相双组元弥散分布在C/C复合材料基体中,且随着前驱体中有机锆含量的增加,力学性能出现先升后降的趋势,当有机锆前驱体质量分数为25%时,改性C/C复合材料弯曲强度和弯曲模量较优,分别为240.61MPa和17.25GPa。     

浅析C/C复合刹车材料

介绍了新一代刹车材料-C/C复合刹车材料的优点、缺点,并介绍了C/C复合刹车材料的应用现状及发展前景.     

C/C复合材料密度的CT定量无损检测技术

讨论了利用水模试样和石墨试样标定CT检测过程中影响CT值的因素(系统噪声、产品尺寸、检测参数、摆放位置等)对CT值的影响,然后利用C/C复合材料试样建立CT值和材料密度的拟合曲线和拟合公式.结果表明系统噪声、产品尺寸、检测参数、摆放位置等对CT值的影响很小,C/C复合材料织物和复合物CT值和材料密度的拟合公式分别为P=(T+793)/659和P=(T+100)/860,说明利用CT值可以对C/C复合材料的密度进行定量定义.     

C/C素坯密度对GSIC/C-SiC复合材料摩擦磨损性能的影响

采用气相渗硅工艺(GSI)制备C/C-Si C复合材料,研究了C/C素坯密度对GSI C/C-Si C复合材料物相组成与摩擦磨损性能的影响,分析了C/C-Si C复合材料的制动过程,并归纳了其摩擦磨损机理。结果表明,随着C/C素坯密度的增大,GSI C/C-Si C复合材料的密度呈递减趋势,且C含量和开气孔率逐渐增加,而Si C含量和残余Si含量逐渐减少;自对偶条件下,复合材料的平均摩擦系数、磨损率均呈现先增大后减小的趋势,当C/C素坯密度为1.25g/cm3时有最大值,而制动稳定系数则不断增大。GSI C/C-Si C复合材料的制动过程是犁沟效应和粘着效应共同作用的结果,制动初始阶段和刹停阶段以犁沟效应为主,中间阶段以粘着效应为主。     

国外C／C复合材料致密化工艺的最新进展

介绍了Ｃ／Ｃ复合材料的致密化工艺，包括液相浸渍工艺，气相沉积工艺，气相渗透工艺，以及最新研制的低成本化学气相复合工艺和快速致密化工艺。     

C/C-ZrC复合材料的制备及力学性能

采用基体改性技术将ZrC引入C/C复合材料中,制备了一种C/C-ZrC复合材料.借助X射线衍射仪、扫描电镜及能谱等手段,对材料的微观结构进行了表征,采用三点弯曲试验研究了材料的力学性能,讨论了ZrC的添加对复合材料断裂行为的影响.结果表明:引入的ZrC相在材料中分布较连续,与C/C复合材料相比,ZrC的引进使得复合材料的弯由强度有所提高,但断裂模式由假塑性变为脆性断裂,其原因与材料中碳纤维与基体较强的界面结合有关.     

C/ C-PAA 与C/ C-FA 弯曲性能对比

通过PIP工艺制备了C/C-PAA、C/C-FA复合材料,对PAA、FA裂解碳的XRD、浸渍效果以及C/C-PAA和C/C-FA的弯曲强度进行了分析.结果表明:PAA裂解碳的炭质量、浸渍效果较好,C/C-PAA弯曲强度比C/C-FA弯曲强度高34.9％,弯曲模量对比不明显.     

C/C复合材料的纳米压痕实验及其性能分析

采用纳米压痕技术研究了不同石墨化温度和混合基体碳的C/C复合材料的性能。结果表明：石墨化温度为2 500 ℃的C/C复合材料的模量比石墨化温度为2 300 ℃的纳米压痕模量降低了10%;纳米压痕法测得热解碳、树脂碳和沥青碳混合基体的C/C复合材料中的树脂碳模量最高,热解碳的次之,沥青碳的最低;通过对纳米压痕载荷位移曲线进行非线性拟合,经过有限元计算最终得到C/C复合材料微观组元的表面断裂韧度为0.492 MPa?m^1/2。     

碳化硼对碳／碳复合材料的催化石墨化作用

本文研究了用Ｂ４Ｃ作催化剂，以降低Ｃ／Ｃ复合材料的石墨化温度，并比较分析了添加Ｂ４Ｃ后，对Ｃ／Ｃ复合材料力学、热物理性能的影响。结果表明，添加Ｂ４Ｃ后，在比通常石墨化温度低４００℃的情况下，石墨化度反而增加了１４％，达到了８５％。Ｃ／Ｃ复合材料的抗热震性能也有提高。同时应用Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）、Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）等分析手段，分析了Ｂ４Ｃ对Ｃ／Ｃ复合材料的催化石墨化机理。     

预制体结构对炭/炭复合材料氧化行为的影响

以短纤维树脂模压、炭布叠层和针刺毡为预制体,采用CVD方法制备了3种C/C复合材料,并研究了其氧化行为,计算了氧化反应动力学数据。结果表明在氧化失重率小于60％时,其氧化失重率与氧化时间呈线性关系,而且3种样品在700℃前后具有不同的表观活化能,由此导致不同的控制机制:700℃以下为动力学控制区,700℃以上为扩散控制区。C/C复合材料的氧化速率与预制体结构有关,这主要是因为不同的预制体结构导致形成了不同的热解炭组织,比较起来炭布/CVD炭复合材料的抗氧化性能最差,短纤维树脂模压/CVD和针刺毡/CVD炭复合材料具有较好的抗氧化性能。3种材料的氧化过程基本一致,都是首先从材料内空隙缺陷处开始氧化,伴随着炭纤维和基体炭同时氧化,炭纤维变得越来越细,最后基体炭只剩下很薄的一层,有的基体炭甚至已经氧化脱落而只剩下炭纤维裸露着,或者在炭纤维周围分布着极不均匀的多孔状热解炭。     

抗氧化C/C复合材料超高温氧化性能分析

通过在C/C复合材料内部引入难熔金属化合物,制备出一种超高温抗氧化C/C复合材料。采用高频等离子体风洞对材料进行了超高温氧化试验。结果表明超高温抗氧化C/C复合材料的抗氧化性能较纯C/C复合材料有明显提高,通过其表面形貌及断口面扫描电镜分析,难熔金属化合物起到氧化阻挡层和内部涂层作用。