SiBCN陶瓷先驱体固化及陶瓷化行为分析

采用非等温DSC、TG等研究了SiBCN陶瓷先驱体-聚硅硼氮烷(PBSZ)的固化、陶瓷化行为,运用FTIR、XRD、SEM等手段表征了PBSZ先驱体在不同温度的裂解产物结构和微观形貌。通过Kissinger、Crane方程得到PBSZ先驱体的固化动力学参数:活化能Ea=243.27 kJ/mol,反应级数n=0.958。PBSZ先驱体的质量损失主要发生在500～800℃,聚合物中有机基团逐渐减少,基本完成无机化转变。XRD结果表明,在1500℃以下裂解得到的产物为表面致密的非晶态SiBCN结构,而在1800℃下裂解产物发生了晶化转变,得到的陶瓷产物包含Si C、Si_3N_4、BN(C)等相。     

高耐热氧化稳定性硅炔聚合物的制备与表征

以二甲基二氯硅烷(Me_2SiCl_2)、三氯乙烯(HClC=CCl_2)和正丁基锂(n-BuLi)为原料,通过偶联反应及LiAlH_4还原制备主链含有Si—C≡C的硅炔聚合物(PSA)。采用FT-IR和NMR对其结构进行表征,利用DSC与TGA分别探讨其固化行为及耐热性能;TGA测试表明,PSA树脂具有良好的耐热及热稳定性能,在氮气和空气气氛下T_(d5)(质量损失5%的温度)分别达到617℃和599℃,1 000℃时的质量保留率分别为86.6%和75.6%。通过XRD与Raman研究PSA的陶瓷化性能,陶瓷化性能结果表明,PSA结构中含有C≡C键,在固化过程中交联形成致密的三维网状结构,赋予PSA优异的耐热性能,且在1 600℃氩气气氛下得到高度结晶的SiC陶瓷。     

SiC-ZrC陶瓷单组分前驱体树脂的制备与性能

通过Wurz-Fittig共缩聚反应合成了锆含量可调的聚锆硅烷树脂,作为Si C-Zr C陶瓷单组分前驱体。聚锆硅烷树脂具有聚合物基复合材料的加工工艺性能,具有热固化性(热固化温度110~200℃),在氩气气氛中于1 000~1 400℃高温裂解生成Si C-Zr C复相陶瓷(陶瓷产率60%)。聚锆硅烷树脂适合陶瓷基复合材料的聚合物浸渍裂解致密工艺(PIP)。基于前驱体聚合物的锆基复相陶瓷在空气中具有突出的耐高温氧化性,可望应用于超高音速大气层飞行器的耐高温、耐氧化陶瓷材料。     

陶瓷基复合材料在火箭发动机上的应用

综述了连续纤维增强陶瓷基防热结构复合材料的研究现状、航天应用及制备方法 ,包括 Zr C、Hf C、Ta C基耐烧蚀复合材料 ,Si C、Si3 N4基热结构复合材料 ,Al2 O3 、Zr O2 基绝热复合材料     

三维连通网状SiC/Zr基非晶复合材料的组织与性能

以多孔SiC陶瓷为增强体,采用压力-浸渗-快凝法制备了三维连通网状SiC增强Zr基非晶复合材料,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析(EDXA)研究了预制体和复合材料的相组成和原始显微组织、界面形貌及断口形貌,探讨了网络结构陶瓷预制体的特性对复合材料组织的影响,以及复合材料中的界面对其力学性能的影响。结果表明,陶瓷预制体与Zr非晶复合后形成了具有双连续相的网络交叉结构,复合材料中陶瓷与非晶合金的界面处存在增强体成分Si与基体成分Zr之间相互扩散的扩散层,该扩散层厚度为1μm左右,界面结合机制主要为扩散结合和机械结合,适中的界面强度兼顾了复合材料的强度和韧性;增强体的断裂是复合材料断裂的主要机制,非晶合金发生粘性流动,在裂纹的扩展中起到了桥接的作用。     

高超飞行器用C/SiC-ZrC复合材料力学及烧蚀性能研究

以PZC为有机锆先驱体原材料,采用A,B,C三种PIP工艺路线制备了不同ZrC含量的C/Si C-ZrC复合材料,并对C/Si C-ZrC复合材料的组成、微观结构、力学性能、烧蚀性能及作用机理进行了测试和分析。结果表明,有机锆先驱体制备的C/Si C-ZrC复合材料烧蚀性能有大幅提高,但其力学性能却存在一定程度的下降,并且随着ZrC含量的增加,C/SiC复合材料的力学性能呈现出逐渐降低的趋势,其质量烧蚀率和线烧蚀率呈现出先减小后增大的趋势。     

C／SiC陶瓷复合材料推力室的制备与性能表征

采用"化学气相渗透法 聚合物先驱体浸渍裂解法"(CVI PIP)混合工艺制备出连续炭纤维增强碳化硅陶瓷复合材料(3D C/SiC)推力室,综合考察了复合材料的机械性能、微观结构和气密性能,以及姿控、轨控发动机环境试验考核.结果表明,"CVI PIP"混合工艺制备C/SiC复合材料不仅工艺周期缩短,而且材料性能优异.复合材料密度达2.1 g/cm3,室温弯曲强度和断裂韧性(KIC)分别达到520 MPa和17.9 MPa·m1/2;而且断裂破坏行为呈现典型的韧性模式.C/SiC复合材料推力室的高温气密性、抗氧化和抗烧蚀性能通过了双燃料液体发动机试验考核.     

液态聚碳硅烷制备C/C-SiC复合材料抗烧蚀性能研究

采用液态聚碳硅烷(Liquid polycarbosilane,LPCS)为陶瓷先驱体,通过先驱体浸渍裂解(Precursor infiltration and pyrolysis,PIP)工艺,制备了C/C-SiC复合材料.LPCS先驱体的裂解行为采用热重分析(Thermogravimetry analysis,TG...     

石墨烯/陶瓷复合材料的研究进展

在陶瓷中引入第二相材料是改善陶瓷材料结构和性能的有效途径.纤维、晶须、颗粒等用于改善陶瓷,但难以满足陶瓷材料的应用要求.石墨烯具有大的比表面积和优异的机械、导电、导热等性能,是制备性能优异的陶瓷复合材料的理想填料.系统总结了石墨烯/陶瓷复合材料的研究成果,综述了石墨烯/陶瓷复合粉体的制备方法、成型工艺和致密烧结工艺技术...     

改性先驱体制备C/SiC复合材料性能研究

采用交联剂对聚碳硅烷(PCS)先驱体进行改性,以改性先驱体配置溶液制备了C/SiC复合材料。在制备过程中,由于改性先驱体较高的陶瓷产率,缩短了复合材料基体致密化周期,气孔率降低到7.2%,密度提升到2.01 g/m~3。在改善试样显微结构的同时,改性先驱体能够明显提升C/SiC复合材料力学性能,弯曲强度提高到459.4 MPa,断裂韧性提升到13.6MPa·m~(1/2),相比单组分PCS先驱体分别提高了51.9%和32.0%。烧蚀性能考核表明,试样的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为8.3×10~(-3) mm/s和4.3×10~(-3) g/s,相比单组分PCS制备的试样分别降低了85.7%和73.1%。通过对试样内部显微结构和考核后形貌进行分析,结果表明试样力学和烧蚀性能的提升主要得益于致密化的基体以及基体对纤维很好的保护作用。     

液相先驱体制备C/C-TaC复合材料

采用液相先驱体,以3D针刺C/C多孔材料为反应基体,制备了C/C-TaC多元复合材料。采用XRD和SEM对C/C-TaC多元复合材料的相组成和显微结构进行了分析。结果表明,采用液相先驱体,以基体炭为炭源,简化了C/C-TaC制备工艺;经900℃预处理后,液相先驱体固化产物转化为纳米级别的Ta2O5,有助于TaC合成反应的进行;提高反应温度有助于减少中间产物影响,至2 000℃可得到晶化度较高的化学计量比TaC。     

间氨基苯乙炔封端聚(间二乙炔基苯-甲基氢硅烷)树脂的合成及性能

以间二乙炔基苯、甲基氢二氯硅烷和间氨基苯乙炔为主要原料,通过格氏试剂法和氨解法,合成了一种耐高温间氨基苯乙炔封端聚(间二乙炔基苯-甲基氢硅烷)树脂(简称APSA树脂)。采用FT-IR、1H-NMR、13C-NMR和多检测GPC/SEC对树脂结构进行表征,利用DSC和TGA研究了树脂的固化行为和耐热性能,探讨了结构中硅元素含量对树脂性能的影响。结果表明,APSA树脂常温下粘度适中,交联固化物具有优异的耐热性能,在N2气氛下Td5(质量损失5%的温度)达634℃,1 000℃下的质量保留率为90.1%。     

C/C-SiC防热材料快速制备及其性能研究真

采用CVI+PIC工艺制备了密度为1.35～1.45 g/cm3的C/C多孔体,对多孔体进行LSI快速获得C/C-SiC防热材料,表征了防热材料的微观结构、弯曲性能,对其进行300 s氧乙炔烧蚀试验,检测了筒形C/C-SiC燃烧室热结构缩比构件的整体承压性能。结果表明,采用CVI+PIC方法成型的C/C多孔体LSI后,液相Si主要与树脂炭反应,生成的SiC位于纤维束之间的大孔孔隙中,由炭纤维束与其内部和包覆在纤维束表层的热解炭构成的增强相未受液Si浸蚀。制备的C/C-SiC弯曲强度达122 MPa,弯曲破坏呈现明显的假塑性断裂;筒形C/C-SiC燃烧室热结构缩比件(外径175 mm、壁厚7.5 mm、高度200 mm)水压爆破压力为5.2 MPa。C/C-SiC材料氧乙炔试验线烧蚀率0.000 2～0.000 3 mm/s、质量烧蚀率0.000 1～0.000 3 g/s,材料的烧蚀以热化学烧蚀为主,烧蚀型面整体平滑,烧蚀表面形成了SiO2抗氧化玻璃相和Si纳米线。     

SiC对C/C-ZrC-SiC复合材料的微观形貌、烧蚀及热物理性能的影响

为了研究SiC及其前驱体聚碳硅烷对聚合物浸渍裂解法(PIP)制备的C/C-ZrC-SiC复合材料的影响,本文以聚碳硅烷和有机锆分别为SiC和ZrC的前驱体,利用PIP法制备了C/C-ZrC和C/C-ZrC-SiC两组复合材料,采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对材料的微观结构进行分析,在氧乙炔环境下考核了复合材料的抗烧蚀性能,并选用热分析仪对两组材料的热物理性能进行对比分析。结果表明,聚碳硅烷因其较高的SiC产率可以提高C/C-ZrC-SiC复合材料中陶瓷基体的致密程度,其产物SiC改善了陶瓷基体与碳基体的界面结合状态。氧乙炔烧蚀120 s后,与C/C-ZrC相比,SiC的加入使C/C-ZrC-SiC表现出更优异的抗烧蚀性能,主要归功于烧蚀中心表面熔融ZrO_2保护层和烧蚀边缘致密SiO_2层的形成。此外,SiC有利于提高材料的导热性能,同时降低其热膨胀系数。     

C/C-ZrC-Cu复合材料的微观结构与抗烧蚀性能

采用低温反应熔渗工艺,以Zr_2Cu合金为熔渗金属,在密度为(1.25±0.05) g/cm~3的毡基C/C复合材料中引入ZrC+Cu组分,以提高其抗氧化烧蚀性能。采用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM),分析C/C-ZrC-Cu复合材料的相组成与微观结构,在氧-乙炔环境下考核材料的抗烧蚀性能。结果表明,C/C-ZrC-Cu复合材料形成了三维网络状(热解碳+ZrC+Cu)混合基体结构,热解碳可以有效防护高温金属熔体对碳纤维造成的损伤,Zr C和Cu的引入有效改善了抗烧蚀性能,氧乙炔烧蚀120 s后,线烧蚀率从毡基C/C复合材料的9.0×10~(-3)mm/s降低为-1.0×10~(-3)mm/s,主要归因于材料表面形成了相对完整的ZrO_2保护层和Cu的发汗冷却作用,对应的氧化烧蚀机制主要为Zr C、C等氧化引起的热氧化烧蚀和Cu熔化、挥发等引起的热物理烧蚀。     

预制体结构对C/C喷管出口锥材料力学性能的影响

设计了3种用于制备喷管用C/C出口锥材料的炭纤维增强预制体,即炭布铺层骨架(P型预制体)、炭布叠层原位针刺骨架(N型预制体)、炭纤维整体编织骨架(B型预制体),并对比研究了预制体结构对C/C出口锥材料力学性能的影响。结果表明,对同密度水平的C/C出口锥,用P型预制体制备的C/C材料的层剪强度最低,N型预制体制备的材料的层剪强度最高,B型预制体制备的材料的层剪强度居中。3种预制体制备的C/C材料的高温弯曲性能差别不大,N型预制体结构更适合于C/C出口锥材料的制备成型。     

酚醛树脂溶液浓度对液相浸渍⁃碳化法制备 C/C复合材料浸渍效率的影响

以2.5D针刺炭毡为增强体,酚醛树脂为先驱体,采用液相浸渍-碳化法制备C/C复合材料。对酚醛树脂先驱体溶液的流变性能、凝胶性能、固化行为及失重行为等性能进行全面的分析,为后续工艺优化提供指导,研究了酚醛树脂溶液浓度对2.5D针刺炭毡浸渍效率的影响。结果表明,当浸渍温度为60℃时,酚醛树脂溶液的粘度在4 h的浸渍时间内保持在200 m Pa·s左右,在1.5 MPa下加压浸渍3 h,循环6个周期的浸渍固化炭化工艺过程后,浓度为75%的酚醛树脂溶液的浸渍效果较好,浸渍效率高。     

高温结构陶瓷材料的制造及应用

本文叙述了耐高温结构陶瓷(SiC、Si_3N_4)的制造工艺;扼要评述了该材料的物理性能;简要介绍了在增韧方面所取得的进展;最后,提到陶瓷/陶瓷材料,认为该材料在固体发动机喷管上作耐热结构件是很有前途的。     

碳纳米管增强YAST微晶玻璃连接C/C复合材料与LAS陶瓷

采用多壁碳纳米管(MWCNTs)增强YAST(Y2O3-Al2O3-SiO2-TiO2)微晶玻璃中间层的方法,以期改善LAS陶瓷/C-C复合材料接头的力学性能。实验中,采用原位生成碳纳米管和直接加入碳纳米管2种方法,制备出具有不同含量碳纳米管的中间层粉体,并将这些玻璃粉体作为中间层对C/C复合材料与LAS陶瓷进行热压连接。利用SEM、XRD等测试手段对接头的断口形貌、断口的物相组成进行了分析。研究结果表明,原位生成的碳纳米管在微晶玻璃基体中具有更好的分散性,其中间层断面具有明显的碳纳米管拔出现象,且无明显的贯穿性裂纹,其接头的平均剪切强度达到26.07 MPa。     

C/SiC复合材料喷嘴冲蚀磨损性能及其机理研究

为验证C/SiC复合材料喷嘴在液-固两相流实际环境中的应用可行性,采用化学气相沉积工艺和先驱体浸渍-裂解工艺制备了C/SiC复合材料喷嘴的,并充分结合工程化应用背景需求,对C/SiC复合材料喷嘴在实际应用环境中进行长寿命考核。基于C/SiC复合材料喷嘴在实际应用考核过程中表现出的冲蚀磨损特征,采用SEM手段分析了C/SiC复合材料喷嘴不同位置在液-固两相流中微观结构演变特点,并对其冲蚀磨损机理进行探讨。结果表明:C/Si C复合材料喷嘴从试验件入口段到出口段表现出逐渐加剧的冲蚀磨损程度,冲蚀磨损方式主要由冲蚀凹坑和热应力"崩块"组成,而"偏磨"现象产生的主要原因为C/SiC复合材料各向异性和液-固两相流的不均匀性所致。