C/SiC复合材料推力室应用研究

C/SiC复合材料密度低、耐高温、抗氧化、抗烧蚀,并且具有非常好的高温力学性能,是制备高性能液体火箭发动机推力室的理想材料.本文从C/SiC复合材料燃烧室结构计算、无损探伤及C/SiC与金属连接等方面,论述了上海空间研究所在C/SiC复合材料应用于液体火箭发动机推力室方面的基础研究及应用进展.     

2D C/SiC复合材料阻尼性能研究

测试了CVI工艺制备的2D C/S iC复合材料的阻尼性能,讨论了其阻尼机制,分析了涂层、测试频率和热处理等因素对其阻尼峰的影响。结果表明,2D C/S iC复合材料的阻尼峰值可达1.86×10-2,其阻尼机制主要为微裂纹扩展、增强纤维阻尼及界面阻尼;S iC涂层可大幅度降低2D C/S iC复合材料的阻尼性能,消除阻尼特性曲线上的阻尼峰;2D C/S iC复合材料阻尼峰随加载频率的升高而降低;高温热处理使2D C/S iC复合材料阻尼峰降低。     

氧化硼含量对C/C复合材料SiC涂层结构和抗氧化性能的影响

为了改善涂层和C/C复合材料之间热膨胀系数不匹配的问题,提高涂层在高温下保护C/C复合材料的能力,以氧化硼为添加剂制备了具有楔状结构的C/C复合材料SiC抗氧化涂层,研究了摩尔百分含量分别为0%、2%、5%和10%的氧化硼对SiC涂层组织、结构和抗氧化性能的影响.SEM、XRD及抗氧化实验的测试结果表明,随着氧化硼含量的增加,SiC涂层的厚度和致密度依次增加;涂层中的氧化硼可促使涂层物料充分渗入C/C复合材料基体内;1 500 ℃空气介质氧化试验结果显示,涂层中氧化硼含量为2%的C/C复合材料在氧化5 h后增重0.32%,具有较好的抗氧化性能.     

硅钼含量对C／C复合材料SiC-MoSi2涂层结构和高温抗氧化性能的影响

采用两步包埋法在C/C复合材料表面制备SiC-MoSi2抗氧化复合涂层,通过恒温氧化实验以及X射线衍射分析、扫描电镜观察,研究了包埋粉料中硅钼含量对复合涂层微观结构和高温抗氧化性能的影响。结果表明,随着包埋粉料中硅钼比的减小,涂层的厚度和致密性先增加后减小,硅钼质量比为6∶1时所制备的复合涂层具有较大的厚度和较为致密的结构,且MoSi2含量相对较高,体现出优良的抗氧化和抗热震性能,在1 500℃氧化87.3 h和经过9次1 500℃室温急冷急热后,带有该涂层的C/C试样失重仅为3.22%。穿透性裂纹的形成是长时间氧化后涂层失效的主要原因。     

C/C复合材料ZrC/SiC抗烧蚀涂层性能研究

综合利用固相浸渗法和涂刷法,在C/C复合材料表面制备了一种ZrC/SiC抗烧蚀涂层.通过氧-乙炔实验测试了所制备ZrC/SiC涂层的抗烧蚀性能,并用XRD、SEM分析了涂层烧蚀前后的物相组成及微观形貌,研究了涂层的抗烧蚀机理.结果表明,此ZrC/SiC涂层与基体的结合性能及热稳定性能良好;涂层烧蚀机理是热化学烧蚀、热物...     

纤维表面处理对单向C/SiC复合材料拉伸强度的影响

为改善纤维与基体的界面结合状态,提高C/SiC复合材料力学性能,对炭纤维采用1800℃高温处理、CVI沉积热解炭以及两者联合作用3种方法进行纤维表面处理,研究了表面处理对C/SiC单向复合材料力学性能的影响。结果表明,经过1800℃处理后的纤维表面粗糙度变大,表面沟槽加深,复合材料的拉伸强度是未经表面处理纤维复合材料拉伸强度的2.4倍;纤维表面沉积热解炭后表面粗糙度减弱,其拉伸强度是未经表面处理纤维复合材料的3.1倍;两者联合作用时纤维表面光滑,拉伸强度最高,达708 MPa。     

C/C-B-SiC复合材料的烧蚀性能研究

采用聚合物浸渗裂解法制备了C/C-B-S iC复合材料,用H2-O2焰法对其烧蚀性能进行了研究,并推测了C/C-B-S iC复合材料的烧蚀机理。结果表明,C/C-B-S iC复合材料的烧蚀率随材料密度ρ的增加呈下降趋势,ρ=1.50 g/cm3的C/C-B-S iC复合材料的线烧蚀率相当于ρ=1.86 g/cm3的C/C复合材料的61%,烧蚀时间为60 s时的质量烧蚀率相当于ρ=1.77 g/cm3的C/C复合材料。C/C-B-S iC复合材料在H2-O2焰条件下的烧蚀机制是热化学烧蚀(氧化和升华)和机械冲刷的综合作用。     

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。     

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。     

天然气定向渗透制备C/C复合材料致密化研究

研究以天然气为主要碳源气体、渗透深度为60 mm、密度分别为0.20、0.56 g/cm3的整体毡和针刺无纬布预制体的致密化;144 h后,针刺无纬布试样的密度达到1.39 g/cm3;504 h后,整体毡试样密度为1.50 g/cm3,针刺无纬布试样密度为1.71 g/cm3,与丙烯沉积速率相比,至少高出1倍。利用工业CT对试样密度分布进行定性分析。结果表明,随着致密化周期的增加,整体毡试样和针刺无纬布试样的内外密度梯度减小;针刺无纬布的密度梯度比整体毡小,其最终密度接近均匀分布。偏光显微镜观察测试表明,两试样的热解炭结构均为粗糙层,随着高温石墨化(HTT)处理温度的升高,热解炭层变得平直,且炭层之间更加致密。     

沉积位置对LPCVD SiC涂层微观结构的影响

采用低压化学气相沉积法( LPCVD)在炭纤维表面制备了SiC涂层,借助扫描电镜、X射线衍射仪和拉曼光谱仪对不同沉积位置SiC涂层的微观形貌和晶体结构进行了表征。 SEM结果表明,沿气流方向,涂层表面逐渐致密和均匀;SiC涂层为多层结构,这种多层结构的形成可能是由于反应中产生的HCl气体吸附在表面反应活性点,从而通过活性点的阻塞机制来阻止SiC晶粒的生长。 XRD结果表明,制备的涂层中存在自由碳,各位置处的SiC晶体在(111)晶面存在择优取向,且沿气流方向(111)晶面的取向性逐渐减弱,(220)和(311)晶面的取向性逐渐增加。拉曼光谱低段频谱(200~600 cm-1)的出现表明CVD涂层中存在一定的缺陷。     

异形构件化学气相沉积SiC涂层的数值模拟

根据化学气相沉积(CVD)工艺制备SiC陶瓷涂层的工艺特点和典型异形构件的结构特点,建立了异形构件表面化学气相沉积SiC涂层的数学模型。利用该模型,对CVD法在典型异形表面制备SiC涂层进行了数值计算和分析。计算结果显示,带有斜面的构件对CVD SiC沉积过程有显著影响,在反应器大小允许的情况下,构件放置时,斜面与水平面的夹角越小越好,并尽可能将构件长的一面与水平面平行,这样有利于沉积的涂层均匀。此外,对于带有台阶的构件来说,正放的构件表面浓度大于倒放的构件,而浓度梯度则小于倒放的构件。因此,在实际应用中,应尽量使台阶部分放在气流的下游。上述研究结果对CVD工艺制备SiC涂层的优化具有一定的指导意义。     

反应气体配比对C/SiC复合材料ICVI工艺沉积性能的影响

研究了均热法化学气相渗透工艺过程中反应气体浓度、配比及流动对沉积物和复合材料性能的影响，提出了一种简单反应气体在线监控法。XRD分析结果表明，当H2／MTS摩尔比在2－5之间时，可沉积出纯净均匀的碳化硅基体；而H2／MTS摩尔比小于1时，沉积物中含有大量自由碳。SEM分析表明，甲基三氯硅烷的浓度对沉积速率和沉积深度影响很大，随着甲基三氯硅烷的浓度减小，沉积深度增大，但甲基三氯硅烷的浓度减小引起沉积速率下降，沉积周期延长，确保护内反应气体流动畅通，可提高沉积的均匀性和沉积速率。     

CLVD 法制备C/C复合材料工艺探索研究

研究了采用化学液气相沉积法制备C／C复合材料的工艺过程，分析了不同预制件、温度、浸泡时间等工艺参数对致密速度、效果的影响，并总结出了一套快速高效的致密方法。