炭/炭复合材料防氧化涂层研究进展

介绍了近两年国内外开发的几种C/C复合材料高性能抗氧化涂层的微观结构和高温氧化行为,表明SiC-Al2O3-莫来石、SiC晶须增韧陶瓷、硅酸钇等涂层1500℃静态空气环境下均具有长时间防氧化能力,部分涂层还具有优良的抗热震性能。其中采用原位形成法制备的硅酸钇涂层具有极佳的抗氧化性能,可在1600℃空气中对C/C复合材料有效保护200 h。此外,还介绍了部分涂层的失效机理,并就C/C复合材料抗氧化涂层下一步研究重点提出一些见解。     

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.     

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。     

炭/炭复合材料表面金属功能涂层研究进展

炭/炭复合材料作为结构功能一体化材料使用,面临着自身及其与其他材料之间的连接、抗氧化抗热震涂层以及抗等离子溅射侵蚀涂层问题。系统介绍了表面金属功能涂层在炭/炭复合材料连接、超高温抗氧化抗热震涂层、高热载荷下抗等离子溅射侵蚀涂层上的应用,分析了金属功能涂层的失效原因,讨论了提高金属功能涂层性能的途径,指出新型钎料与接头抗振动抗疲劳性能、涂层显微结构控制与全温域防氧化抗热震、界面稳定化理论方法与新型界面层材料以及金属功能涂层原位自生防护和拓展应用领域是炭/炭复合材料表面金属功能涂层的发展趋势。     

糠酮树脂炭及其炭/炭复合材料微观结构与性能研究

通过浸渍/炭化(PIC)工艺制备了糠酮树脂炭块及糠酮树脂基炭/炭复合材料,对其密度分布、力学和热物理性能及微观结构高温演变过程进行了分析研究。结果表明,制备的糠酮树脂炭块及其炭/炭复合材料密度分布较为均匀,其压缩强度分别为33.9、99.4 MPa,室温~1 000℃时平均线膨胀系数分别为3.91×10-6、1.69×10-6K-1;当热处理温度达到2 100℃左右时,Lc值开始大幅度增长,标志着无定形碳向石墨晶体结构转变。在整个热处理过程中,炭/炭材料石墨微晶尺寸增长幅度比纯树脂炭的大,树脂炭块的显微结构为一种高孔隙度的炭结构,但在炭/炭复合材料中树脂炭与纤维之间界面结合良好。     

低成本炭/炭复合材料的研究进展——化学液相沉积工艺

简述了制备炭/炭复合材料的新工艺——化学液相沉积(CLD)的沉积原理。利用工业燃油作为裂解炭前驱体,炭纤维毡作为增强体,通过工艺参数控制得到低成本炭/炭复合材料。CLD工艺所得材料沉积密度1.6 g/cm3,轴向压缩强度92 MPa,等离子烧蚀率0.06 mm/s,与CVD工艺所得材料相近。与常规CVD工艺相比,CLD工艺制备的C/C复合材料在制备时间上缩短了4/5,致密速率快5倍多。所得基体裂解炭为粗糙层与光滑层结构(大部分为粗糙层结构)。基体炭与炭纤维接合界面适中,且呈洋葱状分布,从而材料具有一定韧性。     

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。     

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.     

温度对乙烯热解制备炭/炭复合材料织构的影响

以乙烯为气态前驱体,2D针刺炭毡为预制体,在负压条件下,沉积温度为950～1 200℃,采用等温CVI工艺制备炭/炭复合材料。研究了沉积温度对复合材料密度分布及热解炭组织结构的影响规律。结果表明,所制备的炭/炭复合材料内外密度较为均匀,较低温度下沉积得到中织构和高织构混合组织的热解炭,较高温度下得到纯高织构热解炭。依据Particle-filler模型,其原因可解释为随温度升高,反应中间体中芳香烃比例增大,直至其与小分子比例达到生成高织构热解炭的条件,同时高温导致的快速热解也促进高织构热解炭的生成。     

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...     

热解炭含量对C/C复合材料性能的影响

研究了不同热解炭含量对C／C复合材料性能的影响。对采用CVD工艺致密到不同密度,具有不同热解炭含量的2D炭布针刺体试样,利用沥青高压浸渍炭化工艺增密至相同的最终密度,然后对其进行力学、热学性能及等离子烧蚀试验。试验结果表明,热解炭含量高的C／C试样具有较好的力学、烧蚀及导热性能。     

C/C喉衬烧蚀性能的实验研究

开展不同推进剂和压强对喉衬烧蚀的影响研究,对认识喉衬烧蚀机理和指导设计很有意义.采用小型烧蚀实验发动机,开展了不同压强下无铝双基推进剂和含铝17%的复合推进刺工况下C/C喉衬烧蚀的实验研究,分析了粒子沉积、燃气组分和燃烧室压强等时烧蚀性能的影响.结果表明,随着工作压强的升高,喉衬烧蚀率明显增大,主要机制是热流密度增加和气流剥蚀加剧,粒子沉积减弱;相同压强条件下,含铝复合推进剂工况下C/C喉衬的烧蚀率远小于无铝双基推进剂工况,主要原因是氧化铝沉积严重.对喉村烧蚀起到了一定保护作用.     

C/C喉衬近净尺寸制备及性能

采用径向针刺工艺制备了近净尺寸针刺C/C喉衬预制体,通过热梯度CVI和树脂浸渍碳化复合工艺对预制体进行了致密,利用μ-CT、光学显微仪表征了C/C喉衬材料微观孔隙和热解碳织构,分析了喉衬材料的弯曲性能。结果表明,径向针刺过程形成的损伤型孔隙通道与碳源气体传输方向一致,提高了碳源气体传输效率,使径向针刺喉衬CVI增密效率比传统轴向针刺喉衬提高10.9%。预制体近净尺寸成型缩短了烧蚀区域碳源气体的渗透距离,喉衬材料烧蚀区域形成了高织构热解碳,有利于喉衬烧蚀性能的提高。径向针刺喉衬的轴向弯曲强度比轴向针刺喉衬提高150%。     

多元基体抗烧蚀炭/炭复合材料的微观结构分析

采用光学金相、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、高分辨率电子显微镜多种微观结构分析手段，对多元基体C／C复合材料微观结构进行了研究。结果表明，采用的液相浸渍法制得的多元基体C／C复合材料，具有良好的微观、界面结构。     

C-C扩张段材料性能设计

在相同的喷管结构中,通过正交试验和喷管结构有限元热应力分析,获得径向弹性模量、母线方向(环向)弹性模量、径向热导率、母线方向(环向)热导率、径向热膨胀系数、母线方向(环向)热膨胀系数、密度和比定压热容等八因素三水平情况下的母线方向拉应力极值、环向压应力极值和层间剪切应力极值。通过极差分析,初步获得优化的材料参数设计方案,然后对试验结果进行方差分析,得出母线方向弹性模量、径向热导率和母线方向热膨胀系数这3个因素是非常显著的;结合喷管扩张段C/C复合材料的应用环境和工艺条件,得出最终的材料优化设计方案,并进行有限元热应力分析,发现应力极值都远小于现有针刺C/C复合材料的许用应力。     

Ni/Ti中间层部分瞬间液相法连接C/C复合材料和GH3044

采用Ni/Ti中间层,部分瞬间液相法(Partial Transient Liquid-Phase,简称PTLP)连接C/C复合材料和GH3044,通过SEM+EDS对接头的微观结构和元素分布进行了表征,并分析了接头形成机理。研究表明,这种方法可实现C/C复合材料与中间层、中间层与GH3044界面处的良好结合;所得接头截面为GH3044/扩散层/残余Ni层/Ni-Ti金属间化合物层/炭化物反应层/C/C复合材料;随保温时间的延长,接头中金属间化合物Ni3Ti不断生长,同时两侧的Ni、NiTi被逐渐消耗。另外,因为C/C复合材料和GH3044的热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)差别很大,所以冷却过程中产生了较大的热应力,导致C/C复合材料/中间层界面附近出现了大尺寸裂纹,使接头性能下降,其剪切强度仅有9.78 MPa。     

一种C/C密封材料的设计与性能表征

设计并制备了一种C/C密封材料。该材料以针刺无纬布为预制体,依次进行了CVD炭、树脂炭和沥青炭致密,中间热处理温度为2 500℃,最终进行封孔不透性改性处理。所得材料的综合性能良好,其密度1.92 g/cm3,开孔率0.06%,肖氏硬度77,轴向压缩强度232 MPa,轴向弯曲强度158 MPa,并成功通过多次冷试和热试考核。     

C/C喉衬材料烧蚀试验方法研究

C/C喉衬材料的烧蚀性能与原材料性能、工艺过程有很大关系,采用小型试验发动机可有效进行C/C喉衬材料烧蚀性能模拟试验。介绍了3种小型发动机喉衬烧蚀试验方法,并着重分析了一种方形喉衬的试验方法。试验结果表明,该方法适于各类喉衬材料的烧蚀性能对比,尤其适用于径棒法编织的C/C喉衬材料。     

预制体及基体对C/C复合材料性能的影响

研究了预制体结构及其成型工艺和基体类型对C/C复合材料的力学性能、烧蚀性能和微观结构的影响。结果表明,它们对C/C复合材料的拉伸和压缩强度影响不显著,而对剪切性能影响明显。采用CVD成型工艺和树脂炭基体,对于二维预制体,C/C复合材料的剪切强度可达19MPa;对于准三维预制体,C/C复合材料层间剪切强度可达20MPa。不同类型的基体炭对复合材料的耐烧蚀性影响不同,CVD炭具有优异的抗烧蚀性能,树脂炭与沥青炭的抗烧蚀性能较差。采用先沉积后树脂浸渍炭化补充增密,可制备综合性能优异的热结构复合材料。     

不同增强体C/C复合材料韧性研究

研究了编织C/C复合材料、针刺C/C复合材料和毡基C/C复合材料室温、高温的断裂韧性,以及3种不同增强体C/C复合材料的冲击韧性。研究发现,C/C复合材料的高温断裂韧性高于室温,其中针刺C/C复合材料的断裂韧性值最高。编织C/C复合材料的抗冲击性能表现出强烈的各向异性,针刺C/C复合材料抗冲击性能优于毡基C/C复合材料。