SiC/CVD SiC复合涂层的抗氧化及抗热震性能研究

为了提高C/SiC复合材料耐高温性能,采用泥浆浸渍裂解与真空化学气相沉积(CVD)在材料表面制备了SiC/CVD SiC复合涂层,通过XRD、SEM分析了涂层组成与结构;研究了复合涂层的高温抗氧化(700～1 500℃)和抗热震性能。结果表明,泥浆浸渍法制备的SiC涂层具有一定的封孔效果,可使材料开孔率下降,但高温抗氧化效果并不佳,1 200℃氧化10 min后材料弯曲强度保留率下降明显仅有86%。CVD SiC涂层结构致密,与SiC封孔涂层结合较好,在700～1 500℃具有较好的抗氧化效果,随着氧化温度的升高,氧化后涂层完好,表面O元素逐渐增加,材料失重率缓慢增加但不大于0.5%,且材料性能并未下降。涂层材料在1 200℃-10 min短时热震5次后材料弯曲强度保留率仍有95%以上,且未出现开裂、剥落等热震损伤。在1 200℃-30 min长时热震10次后,涂层材料基本被完全氧化,材料失去保护作用,弯曲强度下降至90%左右。     

C/C-SiC的高温裂解温度对C/C-SiC-ZrC复合材料制备及性能的影响

以前驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备的C/C-SiC-ZrC复合材料为研究对象,研究了C/C-SiC的高温裂解温度对C/C-SiC-ZrC复合材料的密度、开孔率、力学性能和抗烧蚀性能的影响。结果表明,C/C-SiC的高温裂解处理导致复合材料失重,开孔率增大,便于后续的前驱体浸渍;随着浸渍裂解周期数增加,三种C/C-SiC-ZrC复合材料最终达到相近的密度和开孔率。不同的高温裂解温度影响C/C-SiC的力学性能,1500℃裂解后的C/C-SiC复合材料具有较好的力学性能,而1600～1700℃裂解后的C/C-SiC复合材料的力学性能有所下降;最终制备C/C-SiC-ZrC复合材料的力学性能较C/C-SiC复合材料均有所提高,界面的改善是材料力学性能提高的主要原因。SiC及ZrC陶瓷基体在高温下形成的ZrO_2-SiO_2玻璃态熔融层起到了抗氧化冲刷的作用,最终C/C-SiC-ZrC复合材料均具有优异的抗烧蚀性能。     

C/C-SiC复合材料的氧化行为与等效弹性性能计算模型研究

结合伴随化学反应的质量传递理论,研究了C/C-SiC复合材料的氧化机理,获得其氧化动力学模型。通过建立各材料组元(碳、碳化硅或其他材料)合理的氧化动力学方程,结合已有的C/C-SiC微结构参数化建模及性能预测技术,将氧化机理与微结构表征建模相结合,建立C/C-SiC复合材料在高温氧化环境下的弹性性能随温度、时间等参数变化动态预测模型,实现对高温环境下各种复杂构型C/C-SiC复合材料的性能预测研究。数值计算结果和实验数据吻合较好,表明该文建立的数值模型,可有效预测高温氧化环境下C/C-SiC的质量变化和等效弹性性能。     

带有SiC涂层的C/C复合材料的氧化行为

采用包埋法在C/C复合材料表面制备了SiC高温防氧化涂层。利用SEM和XRD等方法对涂层的微观形貌和晶相组成进行了观察与分析,并对带涂层试样在室温~1 500℃范围内的氧化行为进行了研究。结果表明,涂层主要由β-SiC和少量的游离Si组成,涂层表面有裂纹存在,涂层与C/C复合材料基体结合良好,呈现犬牙状结合。在室温~1 500℃之间,带SiC涂层C/C复合材料的氧化行为可分为4个阶段,涂层在高温区具有较好的防氧化性能。     

低成本制造C/SiC复合材料的热物理性能研究

采用先驱体浸渍裂解工艺制备了三维针刺C/SiC复合材料,系统地研究了其热物理性能.结果表明:该低成本制造工艺制备的C/SiC复合材料热膨胀系数随温度升高总体上呈增大趋势,但随着温度的升高,热膨胀系数增大程度逐渐减弱,并且z向的热膨胀系数要高于x-y方向,而CVD-SiC涂层的存在会降低其热膨胀性能;C/SiC复合材料比热容、导热率也随着温度的升高呈现逐渐增大的趋势,但增加速率逐渐减小.CVD-SiC涂层的存在会提高C/SiC复合材料的导热性能,有利于C/SiC复合材料产品与外界环境的热能交换,但会使材料的比热容降低.     

界面改性对混杂基C/SiC复合材料性能的影响

通过界面设计与实验研究,对C/SiC材料进行C/SiC/C多层涂层界面处理,实现了保护纤维和提高复合材料韧性及调节机械性能的多重目的.同时还研究了界面涂层前后纤维表面处理对复合材料性能的影响,结果表明,对增强体进行界面涂层处理和"酸处理",适当强化弱界面,起到了提高复合材料高温强度保留率和增韧的目的,酸处理+CVD-C/SiC/C界面涂层的C/SiC 复合材料的高温强度保留率达到90%;进行了C/SiC/C界面涂层的C/SiC 复合材料的断裂韧性高达20.72 MPa·m1/2,较未进行界面涂层的C/SiC 复合材料的断裂韧性提高了31.8%.     

针刺C/C复合材料高温力学性能试验及本构关系

为研究针刺C/C复合材料高温下力学性能,通过C/C材料试件不同温度下的拉伸、压缩及剪切性能试验,观察试件在高温和外载荷作用下的破坏模式,获得了材料不同温度下的应力-应变曲线。基于对Jones-Nelson-Morgan模型改进并引入温度系数,建立了C/C复合材料高温本构关系模型,并与试验结果进行了对比。结果表明,在温度≤1800℃,针刺C/C材料为线弹性本构关系,C/C材料拉伸、压缩及剪切强度均随温度的升高呈先升高、后降低趋势,在温度≥1600℃后,强度逐渐降低;建立的高温本构模型计算结果与试验结果吻合较好; C/C材料整体表现为脆性破坏,拉伸破坏纤维拔出尺寸较短,压缩破坏断口呈现45°豁口。     

热处理温度对针刺C/C复合材料热力学性能的影响(英文)

对炭布叠层针刺C/C复合材料分别进行了不同温度的高温热处理,研究了热处理温度对C/C复合材料热学、力学和抗热震等性能的影响。结果表明,经过高温热处理,针刺C/C复合材料的导热率升高,线膨胀系数降低,材料的抗热震因子从未处理的42 kW/m提高到70 kW/m以上,表明热处理后材料具有更佳的热稳定性,但材料的弯曲强度随热处理的升高从126 MPa降到70 MPa,且经过2 000℃及更高温度处理后弯曲强度降低幅度较大。     

C/SiC材料在模拟空天往返条件下的可重复使用性能评估

针对飞行器空天往返、多次使用的发展需求,以2D C/SiC材料为对象,选择开放大气模拟环境、800 ℃温度条件开展了常/高温拉伸试验、以及常温→高温→降温循环变化历程下拉-拉疲劳的耦合试验,得到不同的力学性能规律,分析了影响材料表面涂层完整性的控制因素及转化点。表明C/SiC材料具有优良的高温静态持续强度性能,但在常-高温循环变化历程下的疲劳性能明显衰减。采用剩余刚度衰减模型,提出了力-热-氧耦合时考虑常-高温循环历程影响因素、以及氧化尺寸效应影响的疲劳剩余性能评估方法。     

浸渗时间对C/C-SiC复合材料显微结构和力学性能的影响

采用反应熔体浸渗法,经不同的浸渗时间渗Si制备了3种不同的C/C-SiC复合材料,测试了材料的增重率、体积密度、断裂韧性及三点弯曲强度,分析了材料的物相组成,并观察了材料的显微结构.结果表明,在得到的C/C-SiC复合材料中,主要存在纳米级和微米级2种尺度的SiC颗粒,随着浸渗时间延长,材料的体积密度和SiC含量随之增加,但抗弯强度随之降低.浸渗时间从0.5 h延长到5 h,材料的密度从2.16 g·cm-3增加到2.21 g·cm-3,SiC的质量百分含量从21.54%增加到31.72%,三点弯曲强度从133 MPa下降到86 MPa,3种复合材料均表现出一种类似于金属材料的非脆性断裂行为,断裂应变约为1.3%,断裂韧性为9～10 MPa·m1/2.     

热处理对高硅氧织物增强甲基硅树脂复合材料室温弯曲强度的影响

研究了不同热处理温度对高硅氧织物增强甲基硅树脂复合材料室温弯曲强度的影响。结果表明,复合材料室温弯曲强度随着热处理温度的升高而降低,且在200~300℃、400~500℃分别出现了2个降低最快的温度区间。采用扫描电镜对复合材料弯曲断口的表面形貌进行了观察,并通过热重分析仪分别对基体树脂及增强体的热稳定性进行了测量。综合分析结果表明,当热处理温度低于400℃时,复合材料弯曲强度的降低主要是由于基体树脂与增强体之间的界面失效所致;而当热处理温度高于400℃时,增强体与树脂之间发生反应,导致增强体失效,是致使复合材料室温弯曲性能进一步下降的主要原因。     

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。     

高温处理过程C/C复合材料微结构演变规律

对热解炭基、热解炭-树脂炭基C/C复合材料进行了1 500、1 800、2 100、2 500℃高温热处理。采用X射线衍射仪、激光拉曼光谱仪,对不同热处理温度及未进行热处理的2种C/C复合材料纳米尺度结构进行了表征;采用扫描电子显微镜、压汞仪,检测了其微米尺度孔隙缺陷。结果表明,随热处理温度的增加,微米尺度C/C复合材料的孔隙率逐渐增加,材料中裂纹型孔隙缺陷在热处理过程中,没有沿裂纹尖端的应力集中区域扩展,而是沿裂纹的宽度方向变化;纳米尺度C/C复合材料炭结构向理想微晶结构转变,缺陷逐渐减少,其变化趋势和微米尺度孔隙率的变化很相似。随热处理温度的增加,纳米尺度1-d002与微米尺度孔隙率呈线性关系趋势,并据此获得了用微米尺度孔隙率变化表征C/C复合材料石墨化度的经验公式。     

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。     

轻型高强Al-Si/SiC复合材料反射镜的制备与性能

文章采用反应烧结工艺制备 Si/SiC 材料,然后通过真空扩散渗铝工艺制备了 Al-Si/SiC 复合材料。通过精确调控浸渗合金的铝浓度使制备的Al-Si/SiC复合材料具有可控的热膨胀系数,利用该工艺制备出热膨胀系数连续可调（4.6×10-6K-1~8.7×10-6K-1,0~40℃）的 Al-Si/SiC 复合材料,其力学性能优异,经检测密度为2.86g/cm3,弹性模量为236GPa,断裂韧性为6.1MPa＆#183;m1/2,可采用线切割、铣磨、钻孔、攻丝等手段加工,相比SiC陶瓷材料更易于高精度机械加工。扫描电子显微镜分析表明,制备的Al-Si/SiC复合材料均匀、致密,光学抛光后表面粗糙度均方根值达到1.017 nm。各项测试数据表明, Al-Si/SiC复合材料作为反射镜可以满足空间光学的应用。     

基于磁路法与等效热网络法的航天 永磁同步电机设计与仿真

针对航天永磁同步电机方案初步设计耗时长、过度依赖商业软件的问题，基于磁路法和热网络法，提出了一套方案设计阶段航天永磁同步电机磁热性能快速预估与仿真方法。给出了定子内径、定子外径、铁芯长度、匝数等关键参数的取值准则，建立了包含36个节点集总参数热网络模型，并以端部绕组为例给出了热平衡方程的详细推导过程。通过与成熟商业软件对比，其电磁计算最大误差出现在电流有效值上，偏差值为607%；与样机实测值对比，绕组温升最大误差为73%，满足方案设计阶段预示精度要求，为方案设计阶段航天永磁同步电机快速性能预估提供有力支撑。     

C/C复合材料SiC/mullite-Si-Al_2O_3复合涂层微观结构及防氧化性能研究

采用原位生成法在C/C复合材料SiC内涂层表面制备了mullite(莫来石)-Si-Al2 O3抗氧化涂层.采用XRD、SEM分析了涂层的物相组成和微观结构,并测试了SiC/mullite-Si-Al2 O3复合涂层的抗氧化性能.结果表明,外涂层主要由mullite、Si和Al2O3三相组成;涂层致密无裂纹;SiC/mullite-Si-Al2 O3复合涂层在1500℃静态空气中等温氧化75 h后,试样失重仅为4.6%,防氧化性能明显优于单一的SiC内涂层.     

高超声速飞行器材料与结构气动热环境模拟方法及试验研究

文章介绍了自行研制的石英灯红外辐射式气动加热试验模拟系统以及使用该系统对高超声速飞行器材料与结构进行的高温热评价试验。本热试验系统可实现升温速率高至200 ℃/s的非线性热冲击过程的动态模拟;能够生成1.8 MW/m2热流密度的瞬态非线性热试验模拟环境;能将试验环境温度提高到1 500 ℃。在该热试验系统上完成了如下试验研究: 1）金属蜂窝板结构在高温950 ℃非线性热环境下的隔热性能评价试验和数值模拟;2）对SiC/SiC复合材料试件在1 300～1 500 ℃下的隔热性能评价试验;3）采用轴向非分段加热试验方式对圆柱型壳体结构（长2.1 m）内壁进行高温热环境试验。本试验系统在可控的非线性温升速率、高温高热流密度变化过程的动态模拟、热试验环境模拟的准确性以及非接触式全场高温变形测量等方面的研究成果达到了国际先进水平。