Cf/ZrB2-SiC复合材料的高温氧化行为及机理

将不同比例的ZrB2和SiC粉体充分混合,并在其中均匀分散短切碳纤维(约2 cm),采用热压烧结工艺制备出具有不同ZrB2/SiC比例的短切碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料.SiC可显著促进ZrB2陶瓷的烧结致密化程度,添加了18 vol%SiC的ZrB2在1850℃下热压烧结,致密度达96%以上.对该复合材料分别在1000、1200及1400℃下进行静态氧化实验.结果表明,试样在氧化过程中其表面生成的硼硅酸盐玻璃和ZrO2、SiC等物质在表面形成一层有效的保护膜,因而能够有效阻止材料的进一步氧化.同时,随氧化温度升高和时间延长,氧化过程中形成的硼硅酸盐玻璃量增加,可更有效的覆盖材料表面,提高材料抗氧化能力.     

C/ SiC 复合材料高温抗氧化 BSAS 涂层制备及性能

利用大气等离子喷涂在C/Si C复合材料表面制备BSAS涂层,并研究涂层的高温抗氧化性能。结果表明:包裹有BSAS涂层的复合材料在1 400℃下抗氧化性能良好,120 h后,样品失重率仅为复合材料自身失重率的1/7。1 400℃下热循环300 h后涂层剥落失效,同时发现BSAS涂层由六方相生成单斜相。     

超高温抗氧化碳陶复合材料研究进展

综述了国内外近年来陶瓷涂层抗氧化改性C/ C 复合材料和陶瓷基体抗氧化C/ C 复合材料研究

与应用的新进展, 主要包括1 800℃以下、1 800 ~2 200℃和2 200℃以上不同使用温度范围的抗氧化陶瓷涂层

以及SiC 陶瓷和超高温陶瓷基体改性复合材料。指出了目前高超声速飞行器2 200℃以上超高温抗氧化热防

护材料研究中存在的问题,提出了今后研究的方向。

     

我国碳纤维增强SiC基复合材料抗烧蚀改性进展研究

碳纤维增强SiC基复合材料(C/SiC)因具有耐高温、抗氧化、高比强和高比模等优点,被认为是代替高温合金作为热结构材料最有潜力的备选材料之一。由于碳纤维抗氧化性能差以及SiC基体在超高温烧蚀环境下氧化产物易挥发等问题,需要对C/SiC复合材料进行抗烧蚀改性。目前,针对C/SiC复合材料抗烧蚀改性的途径主要有优化碳纤维预制体结构和增加复合材料的致密度、采用超高温陶瓷改性SiC基体以及在复合材料表面制备抗烧蚀涂层。综述了国内关于C/SiC复合材料抗烧蚀改性的研究工作,同时提出了抗烧蚀改性制备工艺过程中面临的关键问题,为C/SiC复合材料抗烧蚀改性研究提供了思路。     

C／SiC复合材料与CVDSiC涂层的结合性能研究

采用先驱体转化法(PIP方法)制备C/SiC陶瓷基复合材料,通过调整多孔预制件的体积密度制备出不同组分比的C/SiC复合材料。结果显示,C/SiC复合材料的热膨胀系数随着复合材料中SiC含量的增加而增加,其与CVDSiC涂层之间的热匹配也相应增加,通过CVI方法制备梯度过渡层,在C/SiC复合材料表面制备出致密度较高的CVDSiC涂层。     

纳米SiCp/SiO2陶瓷基复合材料的制备和性能研究

成功制备出了以非晶态SiO2为基体，以纳米SiC颗粒（n-SiCp)为增强体的n-SiCp/SiO2陶瓷基复合材料。n-SiCp的引入并示引起基体SiO2的晶化，而且对复合材料的力学性能的改善起到了重要的作用，同时，并未损害复合材料的抗热震性能。所制备的n-SiCp/SiO2复合材料的临界抗热震温差可以达到1200℃。     

连续SiC纤维增强钛基复合材料研制

钛基复合材料由于在中高温环境下具有很高的比强度、比模量以及良好的抗疲劳和抗蠕变特性,受到研究者的广泛关注。回顾了国内外该材料的发展历程,详细介绍了连续SiC纤维增强钛基复合材料的研制过程,包括SiC纤维制备、涂层制备、复合材料成型及构件制备等工艺过程。概述了研究团队近年来在连续SiC纤维增强钛基复合材料研究领域开展的工作及取得的进展,包括成功研制了高性能连续SiC纤维并实现小批量试制,设计了适用于不同增强基体合金的界面涂层,研究表明研制的C涂层可使复合材料经1100℃处理后界面涂层保存较好;实现了20~50μm性能优异的钛合金、铝合金、高温镍合金先驱丝的沉积;完成了Ф600mm×160mm尺寸的复合材料环形件及Ф50mm×300mm转动轴部件的试制。最后对该材料未来的发展趋势进行了展望。     

SiC内层厚度对SiC/Si-MoSi2涂层抗氧化性能影响的研究

为了提高石墨材料的抗氧化性,在石墨表面制备SiC/Si-MoSi2抗氧化涂层.首先采用液硅渗透在石墨材料表面制备SiC内涂层,然后采用料浆刷涂法制备Si-MoSi2外层.详细研究了SiC内层厚度对所制备的SiC/Si-MoSi2涂层抗氧化性能的影响.结果表明,SiC内层厚度对涂层的氧化防护能力有很大影响;在本实验条件下,当SiC内层厚度为240μm左右时,所制备的涂层在1 400℃的高温下对碳基体具有长时间的氧化防护性能.并从微观结构上分析和解释SiC内层厚度对所制备涂层的抗氧化性能的影响.     

化学气相渗透制备SiCp/SiC复合材料

在颗粒陶瓷基复合材料中引入一种颗粒团结构,探索了此结构的跨尺度、非均匀复合效应对颗粒陶瓷基复合材料的力学性能影响.采用造粒的方法制备了SiC颗粒团聚体,并利用此颗粒团聚体压制成疏松预制体;采用化学气相渗透(chemical vapor infiltration,CVI)制备SiC基体,并研究了这种复合材料的微结构与力学性能的关系.     

2D-C/SiC复合材料在空气中的高温压缩强度研究

研究了二维碳纤维增强碳化硅基复合材料(2 D-C/SiC)在空气介质中的高温压缩强度.材料采用1K T300碳纤维平纹布经叠层和缝合制成预制体为增强体,经等温化学气相浸渗制备而成.试样表面用化学气相沉积工艺沉积SiC涂层.测试方向为垂直于炭布叠层方向,测试温度为室温,700℃,1100℃和1300℃.使用扫描电子显微镜观察了材料的断口.结果表明:室温～700℃,2D-C/SiC的压缩强度随温度升高逐渐增大,温度高于700℃后,材料的压缩强度缓慢降低.导致2D-C/SiC的压缩强度随温度变化的主要原因为纤维和基体热膨胀系数不同引起的残余应力随温度升高逐渐变小和高温下材料的氧化损伤.     

等离子喷涂(RE–Al)TaO4钽酸盐环境障涂层性能研究

陶瓷基复合材料作为广泛应用于航空航天领域的先进结构材料,在实际服役环境中依赖于环境障涂层的保护作用,钽酸盐以其优异的高温热–力学性能和与陶瓷基复合材料适配的热膨胀系数((3.5～5.5)×10^–6 K^–1)成为极具潜力的环境障涂层材料。通过大气等离子喷涂(Atmospheric plasma spraying,APS)工艺在碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料(SiC_f/SiC)表面成功制备了(AlTa_x)B_2–2xO₄/(RE–Al)TaO₄复合涂层,探索了涂层的最佳热处理工艺条件,同时对不同涂层结构方案的复合材料涂层试样进行1300℃热疲劳考核和弯曲强度测试,筛选出具有最优抗热疲劳性能的涂层结构,并通过XRD、SEM以及金相显微镜对涂层的表面形貌、裂纹扩展及元素分布进行了分析表征,相对于传统材料涂层,钽酸盐复合涂层以其在高温下优越的综合性能成为极具潜力的环境障涂层。     

高致密反应烧结SiC_f/SiC复合材料的微观结构与性能

SiC_f/SiC陶瓷基复合材料是航空发动机热结构部件的关键材料。基于国产KD-II碳化硅纤维,利用反应熔渗工艺制备了高致密的SiC_f/SiC复合材料,研究了其微观结构、常温/高温力学性能、热物理性能和高温长时氧化稳定性。反应熔渗制备的SiC_f/SiC显气孔率仅为1.6%,室温弯曲强度为(521±89)MPa,1200℃高温弯曲强度为(576±22)MPa,呈非脆性断裂特征,具有优异的高温力学稳定性。厚度方向常温热导率高达41.7W/(m·K),1300℃热导率为18.9W/(m·K)。SiC_f/SiC复合材料经1200℃氧化1000h仍保持非脆性断裂特征,弯曲强度为(360±54)MPa,仅下降19%,仍保持非脆性断裂特征。反应烧结制备的SiC_f/SiC复合材料具备优异的耐高温抗氧化性能,有望满足航空发动机热端部件对SiC_f/SiC陶瓷基复合材料的应用需求。     

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的发展现状及其在航空发动机上的应用

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC CMC)具有低密度、高强高模、耐高温抗氧化、抗蠕变、抗热冲击、耐腐蚀、材料热膨胀系数小等性能优点,在航空发动机上具有巨大的应用潜力。从碳化硅纤维、制备工艺、界面相和涂层等方面综述了国内外SiC/SiC CMC的发展现状,并基于SiC/SiC CMC的性能特点对其在航空发动机燃烧室火焰筒、混合器、涡轮罩环/静子叶片/转子叶片、喷管调节片等热端部件上的应用情况进行了介绍。     

陶瓷基复合材料及其环境障涂层发展现状研究

陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMC)具有耐高温、低密度、抗氧化、抗腐蚀、耐磨损等一系列优越性能,被视为新一代高推重比航空发动机高温部件的首选材料。但CMC在应用环境中存在抗水汽氧化性能不足等问题,需要在环境障涂层(Environmental Barrier Coatings,EBCs)的保护下长期服役。首先介绍了陶瓷基复合材料和环境障涂层的整体发展现状,其次分别对陶瓷基复合材料和环境障涂层进行详细论述;综述了陶瓷基体、纤维、界面层和陶瓷基复合材料的研究进展、应用情况以及近些年国内外学者新的研究成果;同时介绍了环境障涂层的研究进展、制备方法,并综述了其失效机理的研究进展;总结了陶瓷基复合材料和环境障涂层当前存在的问题,并对今后研究工作的重点作出了展望。     

不同界面层体系对SiC_f/SiC复合材料性能的影响

主要研究无界面层、裂解碳和氮化硼3种界面层体系对SiCf/SiC复合材料力学性能的影响:首先,三维四向编织的SiC纤维预制体分别经过无界面层处理、裂解碳界面层制备(CVI工艺)和BN界面层制备(PIP工艺)3种不同工艺处理;以聚碳硅烷为原料,采用PIP工艺制备出3种SiCf/SiC陶瓷基复合材料工艺试验件;对工艺试验件的基本力学性进行研究,评价不同纤维预制体处理工艺对材料性能的影响。研究结果表明,无涂层复合材料样品的弯曲强度最高;具有PyC涂层复合材料的弯曲强度略有下降,但断裂韧性较高;具有BN界面层的复合材料弯曲强度和断裂韧性均出现了较大程度的降低。3个样品力学性能的差别主要与纤维/界面层/基体之间作用力有关。本研究结果可以用于SiCf/SiC复合材料构件制造工作中,为制造工艺的初步筛选提供参考依据。     

基体改性C/C复合材料在高温下的热膨胀规律

 对基体改性前后C/ C 复合材料在高温下的热膨胀系数随温度的变化规律进行了研究。结果表明,基体改性前C/ C 复合材料在高温下的热膨胀系数随温度的变化完全符合碳素材料的一般线性变化规律,而基体改性后C/ C 复合材料在高温下热膨胀系数随温度的变化在900 ℃以前为线性关系,在900～1500 ℃之间为指数关系。通过数学推导与实验验证,证实了这种关系的合理性与可靠性,这对于改善C/ C 复合材料与其抗氧化涂层之间热膨胀系数的匹配程度,全面提高C/ C 复合材料的高温抗氧化性具有一定的指导意义。     

浆料-烧结法制备ZrB2-SiC-B4C涂层及性能研究

通过浆料刷涂-烧结法在Cf/SiC复合材料表面制备了ZrB2-SiC-B4C超高温陶瓷涂层,研究了浆料中粉末填料、稀释剂的质量分数及高温烧结温度对涂层形貌、成分和相组成的影响。结果表明:当粉末填料与树脂质量比为1∶1、稀释剂与树脂质量比为1∶2、高温烧结温度为1 500℃时,在Cf/SiC表面可形成致密、结合力强的ZrB2-SiC-B4C涂层。涂层内部相组织均匀,Ra1μm,孔隙率约为4. 2%,平均拉伸剪切强度约为5. 4MPa。1 500℃等温氧化30 h后,有涂层Cf/SiC复合材料的失重率约为10. 7%,涂层表面形成了完整的含有ZrO2-SiO2的复合氧化膜,为基体提供了有效的氧化防护。这说明Cf/SiC复合材料表面涂覆ZrB2-SiC-B4C涂层有望满足高温燃流环境的使用要求。     

碳纤维增强SiBCN 陶瓷基复合材料的制备及性能

以自制的聚硼硅氮烷(P-SiBCN)为基体聚合物利用前驱体浸渍裂解技术(PIP)制备了二维碳纤维增强SiBCN陶瓷基复合材料,并对其力学性能进行了初步研究.经8次浸渍-裂解,所得复合材料室温弯曲强度为334 MPa,800℃/氩气条件下弯曲强度367 MPa.该复合材料未经抗氧化防护处理情况下,800℃静态空气中氧化3h后,强度保留率约为60％.     

CVD-SiC 涂层的C/ C-SiC 复合材料的抗烧蚀性能

采用CVD法,1 050℃在三维针刺C/C-SiC复合材料表面制备SiC涂层,研究稀释气体与载气流量比分别为4∶1和2∶1制备条件下涂层的晶体结构、表面和断面的微观形貌,对比了涂层前后C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能.结果表明:稀释气体流量降低其制备的SiC涂层更加平整致密,与基体结合程度更好,沉积产物均为单一的β-SiC结晶相.在600 s的氧化烧蚀下,两种流量比条件下制备CVD-SiC涂层的C/C-SiC复合材料的线烧蚀率比未涂层的分别降低34％和50％,质量烧蚀率分别降低70％和75％,抗氧化烧蚀性能明显提高.     

水热电泳沉积法制备C-AlPO_4高温抗氧化涂层及其表征

采用水热电泳沉积法在C/C-SiC复合材料表面制备了均匀的方石英型磷酸铝(C-AlPO4)高温抗氧化涂层。借助XRD和SEM对涂层的晶相组成和显微结构进行了表征。分析了C-AlPO4粉体在悬浮介质中的荷电机理,考察了C-AlPO4粉体在有机悬浮液中的分散稳定性;通过正交实验得到了C-AlPO4涂层的优化制备工艺;研究了此工艺条件下制备涂层的晶相、显微结构及抗氧化性能。结果表明:C-AlPO4由于吸附有机介质分子离解出的H+而荷正电,其悬浮液的分散稳定性在异丙醇中最好;制备C-AlPO4涂层的优化工艺条件为沉积电压220V,沉积时间25min,沉积温度100℃;抗氧化性能测试表明优化工艺条件下所制备的C-AlPO4涂层具有较好的抗氧化性能和抗热震能力,在1500℃的空气气氛下氧化37h后,涂层试样的失重率仅为0.53%。