ZrB2 / C 复合材料的微观结构与高温氧化机理

在碳基体材料中添加ZrB2抗烧蚀组元,经过热压固化成型、炭化处理制得改性碳基复合材料。经过1 500℃静态抗氧化实验后,对比发现添加ZrB2的复合材料抗氧化能力得到提高。通过SEM观察发现ZrB2在高温下被氧化形成致密保护层,能有效阻止氧气扩散进入碳基体。通过热力学计算进一步分析了碳基复合材料在制备和高温氧化过程中的化学反应机理。     

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.     

2D C/SiC-ZrB2复合材料的烧蚀性能

用ZrB2微粉对2D C/SiC基体进行改性,研究了化学气相渗透结合浆料浸渍及先驱体浸渍裂解工艺制备2DC/SiC-ZrB2复合材料在氧-乙炔焰和1800℃甲烷风洞环境中的烧蚀行为.结果表明:在氧-乙炔环境中,2D C/SiC-ZrB2的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为6.1×10-2 mm/s和1.0×10 -2g/s,相对2D C/SiC复合材料而言,ZrB2微粉并没有提高C/SiC复合材料的抗烧蚀性能.在1800℃甲烷风洞环境中,涂层致密度起主要作用,涂层致密度相同时,复合材料的开气孔率越大,质量烧蚀率越大,ZrB2微粉的渗入对C/SiC复合材料的烧蚀性能影响不大.     

Cf / ZrB2 -SiC 复合材料的制备及抗热冲击性能

采用前驱体转化法制备Cf / ZrB2 -SiC 复合材料,对材料的热物理和热震性能进行了研究。采用 扫描电镜和X 射线衍射分析材料的微观结构及物相变化。结果表明:复合材料在1 700℃热震循环10 次材料 保持完整,表现出了良好的抗热震性能。通过微观结构分析,高温氧化后生成的多孔SiO2 氧化层能够吸收热 应力,缓解因热震带来的巨大温度差,ZrB2 组元的加入有效地提高了材料抗热震性。     

C/ C-Cu 复合材料的烧蚀性能

以聚丙烯腈预氧化纤维针刺毡为预制体,经碳化后采用CVI和树脂浸渍(IR)工艺制备出不同密度的多孔C/C预制件,然后采用气体压力浸渗方法制备了C/C-Cu复合材料.采用氢氧(H2-O2)焰对C/C-Cu的烧蚀性能进行测试考核.结果表明:以密度为0.99 g/cm3的C/C预制件制备出的C/C-Cu复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率均小于密度为1.9 g/cm3的C/C复合材料,其烧蚀性能良好;在烧蚀过程中C/C-Cu的铜基体的熔化吸收了大量的热量,降低了材料的表面温度,提高了材料的抗烧蚀性能;烧蚀机制主要是热氧化烧蚀和机械冲刷的综合作用.     

C/C复合材料烧蚀形貌测量及烧蚀机理分析

对C／C复合材料试件的表面细观烧蚀进行了常压下的亚、超声速和高压下的亚音速烧蚀形貌的测量；根据测量结果，分析了C／C复合材料在上述情况下的质量损失规律。结果表明：C／C复合材料在亚音速流场的条件下，z向纤维束首先发生剥蚀，当压力升高时，碳布会发生层间剥蚀的现象；而在超音速条件下，碳布更容易发生剥蚀的现象。     

C/SiC复合材料在空气中的氧化烧蚀

针对C/SiC复合材料进行了空气工作环境下的烧蚀研究。分析了C/SiC复合材料的氧化机理,研究了C/SiC材料的氧化烧蚀的影响因素。根据氧化机理,对不同温度下材料的氧化烧蚀进行了模拟,针对SiC材料建立了相应氧化剥蚀模型,并对平板材料的氧化情况进行了模拟计算,将计算结果进行剥蚀情况和非剥蚀情况下的比较讨论。计算结果表明,在不同的温度下C/SiC复合材料的氧化有不同的控制机理,SiO2层的剥蚀将导致SiC材料的氧化烧蚀率增加。     

C/C复合材料在再入模拟环境中烧蚀性能研究

为了研究轴棒法编织的高密度碳/碳(C/C复合材料在再入飞行时的烧蚀性能,采用热等离子体地面模拟再入烧蚀系统对C/C复合材料进行烧蚀试验。试验中分别采用氮气(N、氧气(O和空气作为工作气体,对比研究C/C复合材料在不同环境中的烧蚀率和烧蚀性能。结果表明,三种情况下试样的烧蚀率和微观形貌有很大差异;纯氧气时氧化反应的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.0423mm/s和0.0451g/s大于纯氮气时氮化反应的0.0314mm/s和0.0338g/s也大于空气成分时复合反应的0.0215mm/s和0.0208g/s在试样烧蚀的热影响区发生轻微开裂;三种工况下的烧蚀机理不同,分别是碳的升华、碳的氧化和碳氮反应的某种组合。     

轴棒法编织C/C复合材料的超声速火焰烧蚀性能

为了研究轴棒法编织、高压浸渍-碳化致密工艺(HPIC)及高温处理工艺制成的高密度的碳/碳(C/C)复合材料在火箭发动机中的烧蚀性能,使用气氧和煤油超声速(HVO)火焰对复合材料进行含铝工况烧蚀/侵蚀实验,烧蚀时间为30s;对比研究了复合材料在有、无含铝粒子侵蚀时烧蚀性能的差别;分别用扫描电镜、微CT和表面能谱分析了不同工况烧蚀表面的形貌和成分。结果表明,在不同的烧蚀工况下,材料的表面粗糙度不同,微观形貌和烧蚀率也有很大差异;复合材料在无粒子侵蚀工况下的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.0318mm/s和0.0319g/s,烧蚀表面呈竹笋状和毛絮状,热化学烧蚀起主导作用;有粒子侵蚀时的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.0516mm/s和0.0353g/s,烧蚀表面呈钝竹笋状,纤维从根部断裂,热化学烧蚀和机械剥蚀同时起作用;在纤维和基体表面有Al2O3粒子沉积;含铝烧蚀/侵蚀的线烧蚀率是不含铝烧蚀的1.6倍,质量烧蚀率的1.1倍。在烧蚀区的内部,基体碳受热后开裂,而碳纤维与基体碳间的界面相受热后无明显变化。     

溶胶-凝胶法制备Zr-C/ C 复合材料及其烧蚀性能

研究了一种在C/C复合材料中掺杂难熔金属化合物的新方法:溶胶-凝胶法。利用醋酸锆溶胶对密度为1.39和1.59 g/cm3的C/C复合材料进行浸渍,凝胶化后,再进行炭化处理,在C/C复合材料中引入了难熔金属化合物ZrC。经若干次处理后,两种C/C复合材料的密度最终分别达到1.88和1.86 g/cm3。利用电子背散射测试观察Zr在C/C复合材料中的分布,发现在C/C复合材料表面多次凝胶沉积形成一层Zr的涂层,而在材料的内部Zr的分布主要依赖于材料本身孔洞的分布以及纤维束间的孔隙。对电弧烧蚀后的Zr-C/C复合材料进行表观形貌观察,发现在材料表面形成均匀的ZrO2膜,将基体与氧气隔绝,从而减缓材料的烧蚀速率。     

ZrB2 改性C/ C-SiC 复合材料性能研究

采用碳纤维复合网胎针刺预制体,通过溶液浸渍工艺制备了碳纤维增强C/C-SiC和C/C-SiC-ZrB2陶瓷基复合材料,并对材料的力学、热物理和烧蚀性能进行了分析对比。结果表明:针刺C/C-SiC-ZrB2复合材料的面内弯曲强度、厚度方向的压缩强度、层间剪切强度分别为199、274和19.3 MPa,各性能均低于对应的针刺C/C-SiC复合材料。针刺C/C-SiC-ZrB2材料与针刺C/C-SiC材料相比,热导率得到大幅度提高,而线胀系数略微有所降低。2 500 K、600 s风洞试验后,针刺C/C-SiC-ZrB2复合材料表现出良好的抗氧化烧蚀性能,质量烧蚀率约0.4×10-4g/s。     

ZrB2 及其复合陶瓷的高温抗氧化性能

综述了ZrB_2及其复合陶瓷的高温氧化行为,认为ZrB_2陶瓷是一种优异的高温结构材料,其氧化失效是由于氧化产物B_2O_3保护层挥发失效而导致的;二元陶瓷ZrB_2-SiC由于SiC的加入,高温抗氧化性能大大提高,并对其在不同温度下的氧化物结构进行了阐述。在此基础上提出了进一步提高ZrB_2-SiC陶瓷抗氧化性能和服役温度的方法,并以添加TaC和LaB_6形成三元复相陶瓷为例进行了说明。     

喉衬热环境与碳/碳复合材料的烧蚀

在分析固体火箭发动机喷管喉衬热环境与碳/碳复合材料烧蚀行为的基础上，从材料的角度讨论了影响碳/碳复合材料烧蚀性能的因素。结果表明：碳/碳复合材料的烧蚀是受喉衬复杂燃气环境众多因素共同作用的结果，主要的烧蚀效应有碳的升华、表面异相化学反应以及机械侵蚀；影响碳／碳复合材料烧蚀性能的材料本体特性有纤维特性、预制件结构、材料密度、孔隙、基体碳的种类、石墨化度、杂质，其中部分因素存在交互影响的作用。     

3D C／SiC—TaC复合材料烧蚀性能及机理

采用浆料浸渗结合化学气相浸渗SiC工艺制备出高体积分数TaC的3D C/SiC-TaC复合材料.采用氧-乙炔烧蚀试验研究其烧蚀性能,利用SEM和XRD对烧蚀后材料的微观结构和相组成进行表征,并分析复合材料的抗烧蚀机理.结果表明:TaC在高温高速氧-乙炔焰作用下,形成玻璃态的黏滞Ta2O5相,对C/SiC基体起到封填表面开气孔的作用,阻碍氧化性气氛进入试样内部,从而达到抗高温氧化,提高复合材料的抗烧蚀能力的目的;在超高温阶段,Tac和Ta2O5共同起到抗烧蚀作用.     

碳化温度对C/C复合材料微观结构及热性能的影响

采用CVI PIC工艺制备了四种碳毡增强碳基复合材料(C/C), 其中对三种样品A、B、C在2 500℃进行了一次石墨化处理,样品D未进行石墨化处理。为与900℃碳化对比,研究了1 500℃碳化对复合材料微观结构及热性能的影响。结果表明:碳化温度由900℃提高到1 500℃后,样品A的开孔率下降11. 6% ~13. 5%, 1 000℃的xy向线膨胀系数由1. 75×10-6 /K增大到2. 17×10-6 /K; xy向和z向的800℃热导率分别由65. 07W/(m·K)、45. 98W/(m·K)增大到75. 44W/(m·K)、54. 86W/(m·K);xy向和z向的比热容分别由1. 70kJ/(kg·K)、1. 43kJ/(kg·K)增大到1. 79kJ/(kg·K)、2. 19kJ/(kg·K)。样品B和样品C也表现出基本相同的趋势;随着碳化温度由900℃提高到1 500℃,样品D中微晶尺寸由2nm增大到4nm。