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。     

工艺参数对CVD制备热解碳界面层厚度的影响

以甲烷(CH4)为碳源先驱体,以三维针刺碳纤维预制体为沉积基体,研究了化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)工艺过程中沉积时间、沉积压力以及预制体厚度对热解碳界面层沉积厚度的影响,并在此基础上优化了在碳纤维表面制备合适厚度的热解碳界面层所需的CVD工艺参数。结果表明,针对现有反应腔体,5 mm厚碳纤维预制体试样,采用1 000℃的沉积温度,CH4流速500 ml/min,沉积时间10 h,沉积压力5 kPa,可在预制体内外碳纤维表面沉积得到厚度合适的热解碳界面层;当碳纤维预制体厚度增至10 mm,则沉积时间应延长至15 h,压力维持不变,可沉积得到合适厚度的界面层。     

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。     

PyC界面层厚度对三维针刺C/ZrC-SiC复合材料力学性能影响规律研究

通过控制沉积时间（5 h,15 h,30 h 和50 h）获得了不同PyC界面层厚度试样,随后采用先驱体浸渍-裂解工艺完成S5,S15,S30和S50-C/ZrC-SiC复合材料的制备工作,研究了PyC界面层厚度对C/ZrC-SiC复合材料弯曲、断裂性能影响规律及其作用机理。结果表明：随着沉积时间增加,PyC界面层厚不断增大,C/ZrC-SiC复合材料弯曲力学性能和断裂韧性均表现出先增大而后降低的变化规律。这主要由于PyC界面层厚度的增大,纤维损伤、基体热失配程度减弱,进而提高C/ZrC-SiC复合材料强度,但过大的PyC界面层厚度会降低纤维与基体的结合力和ZrC-SiC基体含量,最终导致C/ZrC-SiC复合材料强度的下降。而S30-C/ZrC-SiC复合材料因表现出较多“纤维桥连”、“裂纹偏转”和“裂纹分枝”现象,有利于消耗断裂能,最终表现出较好的断裂性能。     

基于CFD的CVD布气装置模拟与优化设计

采用流体力学有限元模拟方法,对化学气相沉积(CVD)设备系统内流场进行模拟分析,得到平板布气装置中孔径尺寸、孔径分布与预制体局部流场之间的关系,由此优化设计了布气装置,提高了CVD设备布气的均匀性和稳定性。     

增强氟塑料干法制备工艺研究

对生产增强氟塑料的原材料P202和FR104两种聚四氟乙烯树脂性能进行了对比,采用“干法”制备工艺并对工艺参数进行改进,生产出FS-20d和FS-35d增强氟塑料。生产制品测试结果表明：“干法”制备工艺配方稳定、生产工艺稳定,制品的耐磨性能、耐高温性能、致密性、均匀性和相分散性均优于“湿法”制备工艺制品。     

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。     

CVD-PyC界面层和SiC涂层厚度数学计算模型的建立与验证

建立了合适的化学气相沉积碳界面层厚度数学计算模型和SiC涂层厚度数学计算模型,并通过工艺实验对该模型进行了验证。结合实验结果分析,发现通过该模型计算出的化学气相沉积碳界面层厚度和SiC涂层厚度与SEM照片分析结果基本接近,因此可利用上述模型估算出C/SiC复合材料产品的化学气相沉积碳界面层厚度和SiC涂层厚度,快速评估C/SiC复合材料产品化学气相沉积质量能否满足实际工况使用要求。     

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.     

水氧腐蚀环境对2D C/SiC热扩散性能的作用机制研究

通过对不同温度条件下,水氧腐蚀前后2D C/SiC复合材料热扩散性能的演变规律,研究了环境损伤对C/SiC复合材料热扩散性能的作用机制。在水蒸气和氧气混合环境下,C/SiC复合材料内部气孔率增加,同时在材料表面有氧化物形成。材料内部出现的气孔,阻断了热流在材料内部的传输,使得热扩散性能呈现出直线下降的趋势。氧化物的形成,在一定程度上封填裂纹,有助于热量的传输,能够在一定程度上改善材料热扩散性能。