改性C/C复合材料高温抗氧化研究现状

C/C复合材料超高温氧化防护问题严重限制了高超声速飞行器的快速发展。C/C复合材料高温氧化防护措施主要有两种,即涂层技术和基体改性技术。综述了SiC陶瓷改性C/C复合材料以及ZrC、ZrB_2、HfC等超高温陶瓷改性C/C复合材料的研究现状,并对C/C复合材料高温抗氧化研究方向提出了一些见解。     

抗烧蚀C/C复合材料研究进展

C/C复合材料因优异的高温性能被认为是高温结构件的理想材料。然而,C/C复合材料在高温高速粒子冲刷环境下的氧化烧蚀问题严重制约其应用。因此,如何提高C/C复合材料的抗烧蚀性能显得尤为重要。笔者综述C/C复合材料抗烧蚀的研究现状。目前,提高C/C复合材料抗烧蚀性能的途径主要集中于优化炭纤维预制体结构、控制热解炭织构、基体中陶瓷掺杂改性和表面涂覆抗烧蚀涂层等4种方法。主要介绍以上4种方法的研究现状,重点介绍基体改性和抗烧蚀涂层的最新研究进展。其中,涂层和基体改性是提高C/C复合材料抗烧蚀性能的两种有效方法。未来C/C复合材料抗烧蚀研究的潜在方向主要集中于降低制造成本、控制热解炭织构、优化掺杂的陶瓷相以及将基体改性和涂层技术相结合。     

C/C复合材料ZrB2基超高温陶瓷涂层的研究进展

ZrB₂基超高温陶瓷因其优异的高温抗氧化和烧蚀等性能,成为C/C复合材料理想的热防护涂层材料。本文从以下几个方面对C/C复合材料表面用ZrB₂基超高温陶瓷涂层的研究现状进行了综述:介绍了ZrB₂基超高温陶瓷涂层体系的主要制备技术,并对比了其制备的涂层抗氧化性和抗烧蚀性,总结了各制备方法的优点与不足;从单元、双元、三元材料掺杂改性的角度,详述了ZrB₂基复合涂层常见的材料体系,总结了其改性思路;介绍了ZrB₂基涂层在多层结构设计与开发方面的研究现状。最后简要展望了ZrB₂基超高温陶瓷涂层未来的研究方向。     

超高温陶瓷改性碳/碳复合材料

碳/碳(C/C)复合材料因密度低、抗热震性能好以及高温力学性能优异等众多优点被广泛应用于航空航天领域,但抗氧化性较差使其应用受到很大限制.将超高温陶瓷(UHTCs)引入C/C复合材料基体制备超高温陶瓷基体改性碳/碳复合材料(C/C-UHTCs)是目前提高C/C复合材料抗氧化性的主要途径.当前C/C-UHTCs的多种制备工艺都无法兼具低成本、高效率、均匀致密的效果;相比于C/C复合材料,C/C-UHTCs的抗氧化耐烧蚀性能和力学性能都得到了提升.为了满足现代尖锐前缘飞行器的发展需求,C/C-UHTCs的抗氧化耐烧蚀性能还需要进一步提高;同时,还需要降低C/C-UHTCs的脆性,提高材料的可靠性,避免发生脆性断裂.为了给后续研究提供参考,从制备工艺、结构特征、抗氧化耐烧蚀性能以及力学性能四个方面综述了C/C-UHTCs当前的研究进展,并预测C/C-UHTCs的制备工艺将从降低成本、减小对纤维增强体的损伤等角度进一步优化,以赋予制备材料更为均匀致密的结构以及更优的性能.     

HfC、ZrC改性碳/碳复合材料研究进展

兼顾结构、轻量化与热防护功能，碳/碳(C/C)复合材料已成为航空航天领域的代表性材料，但其较差的抗氧化性难以应对新一代飞行器的长航时有氧服役环境。研究表明，超高温陶瓷(UHTCs)因其氧化层的热流及氧气阻隔作用，在有氧环境下具备优异的耐烧蚀性能。超高温陶瓷改性C/C复合材料(C/C-UHTCs)也有望成为满足抗氧化、微烧蚀等要求的新型热防护材料。目前，C/C-UHTCs的制备过程仍存在成本、效率、均匀性和工艺调控等诸多问题。引入UHTCs后，C/C-UHTCs的氧化烧蚀性能得到显著提升，但需要为每种材料找到各自的适用工作环境。本文重点对适用于极端气动加热环境的ZrC或HfC超高温陶瓷改性C/C复合材料(C/C-ZrC(HfC)),从制备工艺、烧蚀性能和热响应机理进行总结，为后续材料的工艺及性能优化提供借鉴。     

超高温陶瓷改性C/SiC复合材料的研究进展

超高温复合材料的制备技术是制约新一代航天器发展的一项重要技术,为此近年来国内外积极研制耐超高温、抗烧蚀甚至零烧蚀的复合材料。概述了应用于航天领域的高温热结构复合材料C/SiC和超高温陶瓷材料的研究进展,综述了超高温陶瓷改性C/SiC复合材料的改性机理及制备方法,最后提出了今后研究的重点。     

超高温陶瓷改性C／SiC复合材料的研究进展

超高温复合材料的制备技术是制约新一代航天器发展的一项重要技术，为此近年来国内外积极研制耐超高温、抗烧蚀甚至零烧蚀的复合材料。概述了应用于航天领域的高温热结构复合材料C／SiC和超高温陶瓷材料的研究进展，综述了超高温陶瓷改性C／SiC复合材料的改性机理及制备方法，最后提出了今后研究的重点。     

国内C/C复合材料基体改性研究进展

碳/碳(C/C)复合材料在高温含氧气氛下的氧化烧蚀问题严重制约该材料在航空航天领域的推广应用,基体改性技术是提高该材料高温抗氧化抗烧蚀能力的有效手段。介绍了目前发展的化学气相渗透、先驱体转化、反应熔体浸渗、化学气相反应等基体改性技术的主要方法,综述了SiC,ZrC,TaC,HfC,ZrB2,WC,Cu等抗氧化和抗烧蚀组元改性C/C复合材料的研究现状。指出难熔金属碳化物和硼化物,如HfC,ZrC,TaC,HfB2,ZrB2等,具有熔点高、高温性能稳定、抗烧蚀性能优良等特点,是提高C/C复合材料高温抗氧化抗烧蚀的理想基体改性材料,并提出了C/C复合材料基体改性研究中存在的问题和今后潜在的发展方向。     

C/C复合材料的抗氧化研究

C/C复合材料有多种优异性能,但是在高温含氧条件下易于氧化.为了能充分发挥其优良作用,必须进行抗氧化处理.目前国内外主要的抗氧化方法中,涂层法与纤维改性法和基体改性法相比,是目前最有效的抗氧化方法.分析比较了玻璃涂层、陶瓷涂层、金属涂层以及复合涂层4种抗氧化体系的研究现状,展望了发展抗氧化涂层的意义及前景.     

C/C-SiC复合材料高温防护研究进展

C/C-SiC复合材料具有高比强度、高比模量、高热导率、低热膨胀系数和优异的高温抗氧化性能等特点,是新一代的耐高温陶瓷基复合材料,已经被广泛地用作热结构和热防护材料、制动材料以及空间光学系统零部件等。近年来,随着高超声速飞行器和返回式航天运输工具的快速发展,飞行器面临着更多的有高热流、高压气流以及高速粒子冲蚀的环境,这对C/C-SiC复合材料的高温防护技术提出了更高的要求。C/C-SiC复合材料高温防护的研究主要集中在纤维涂层改性、基体改性和高温防护涂层等3个方面,综合近几年国内外的研究报道,从上述3个方面综述了C/C-SiC复合材料高温防护技术的研究进展,总结了各种高温防护技术的制备方法,比较了3种高温防护技术的特点,最后对C/C-SiC复合材料高温防护技术的发展趋势提出了一些见解。     

碳纤维在高温下的结构、性能演变研究

针对碳纤维在碳/碳烧蚀防热复合材料中应用的基础问题,论述了不同碳纤维结构、成分、表面特征,及其力学性能和热物理性能的高温演变规律,揭示了碳纤维灰分含量对碳纤维力学性能和热氧化性能的影响。确定了在碳/碳复合材料复合成型过程中,碳纤维结构受基体碳影响的变化规律和碳纤维表面特征对碳/碳材料宏观力学性能的影响。阐明了碳/碳复合材料中碳纤维的力学性能对纤维发生折断烧蚀的阻碍作用和通过控制碳/碳成型最高温度实现提高性能的途径。     

反应温度对水热改性炭/炭复合材料抗氧化性能的影响

以磷酸、B₄C、SiC和Al₂O₃粉料为原料, 采用一种新颖的水热法对炭/炭(C/C)复合材料基体进行了抗氧化改性. 重点研究了水热反应温度对改性试样的物相组成、微观结构及抗氧化性能的影响. 采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)及X射线光电子能谱(XPS)对改性后试样进行了表征. 结果表明：经过水热改性处理, 炭/炭复合材料表面缺陷被玻璃相B₂O₃、HPO₃和微晶Al(PO₃)₃所组成的涂层所覆盖, 材料的抗氧化性能明显提高; 抗氧化性能在120～200℃范围内随着水热改性温度的升高而提高; 在200℃水热改性后的炭/炭复合材料在700℃的空气中氧化10h后的质量损失仅为2.31%.     

超高温本体抗氧化碳/碳复合材料研究

通过向碳/碳复合材料基体中掺杂难熔金属化合物,研制出了一类集碳/碳材料优异的高温力学、热物理性能和超高温陶瓷材料非烧蚀性能于一体的超高温本体抗氧化碳/碳复合材料。攻克了难熔金属化合物在复合材料中分布以及组元与碳纤维反应控制关键技术,提高了复合材料的力学性能。静态和动态高频等离子风洞超高温本体抗氧化试验表明,在驻点温度达到2 500℃,600 s烧蚀后烧蚀量仅为碳/碳复合材料的1/5,给出了超高温本体抗氧化碳/碳复合材料氧化烧蚀抑制机理。     

氧化石墨烯有序排列对碳纤维增强环氧树脂复合材料低温性能影响

为了提高碳纤维增强环氧树脂复合材料在低温(77 K)循环条件下的微裂纹抗性,文中采用共沉淀法制备了具有良好顺磁性的四氧化三铁/氧化石墨烯(Fe_3O_4/GO),采用红外光谱、X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等手段研究了Fe_3O_4/GO在环氧树脂基体中的有序排列对环氧树脂及碳纤维增强环氧树脂复合材料低温性能的影响。结果表明,Fe_3O_4/GO的有序排列可有效提高环氧树脂基体的低温力学性能及降低环氧树脂基体的热膨胀系数,并可明显改善碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料的低温微裂纹抗性;相对于纯环氧树脂,改性环氧树脂的热膨胀系数和低温环境下的微裂纹密度分别降低了36.5%和37.5%。     

纳米碳管增强炭/炭复合材料的研究进展

纳米碳管(CNTs)具有独特的结构、优异的力学性能、热稳定性与传导性能,是炭/炭(C/C)复合材料理想的增强体.综述了纳米碳管增强炭/炭(CNTs/C/C)复合材料的制备方法,讨论了该复合材料的微观结构、摩擦学性能和传导性能,并展望了CNTs/C/C复合材料的潜在应用和发展趋势.     

C/C复合材料高温抗氧化涂层的研究现状与展望

C/C复合材料在高温下的氧化严重制约了该材料在航空航天领域的推广应用,涂层技术是目前解决该材料高温易氧化的最佳手段.本文综述了C/C复合材料高温抗氧化技术在玻璃涂层、金属涂层、陶瓷涂层和复合涂层等体系方面的研究现状,总结了C/C复合材料高温抗氧化涂层在传统制备工艺的改善以及新方法的开发等方面取得的研究成果,并提出了C/C复合材料高温抗氧化涂层当前研究中存在的问题和今后潜在的发展方向.     

Experimental description of thermomechanical properties of carbon fiber-reinforced TiC matrix composites

Titanium carbide ceramic is a good potential material used in high temperature environment for its good strength, erosion resistance and thermal stability. Unfortunately, the low thermal shock resistance and low fracture toughness are the well-known impediments to its application as high temperature structure components. In order to extend the application of TiC ceramics at high temperature, 20 vol.% short carbon fiber was added into TiC matrix to improve the thermomechanical properties. With the incorporation of carbon fiber, the thermal expansion coefficient of TiC composites was decreased and the thermal conductivity was increased slightly below 900 °C. The flexural strength was improved from 471 MPa for monolithic TiC to 593 MPa for TiC composites, and the strengthening effect of carbon fiber became more prominent at high temperatures. The addition of fiber decreased the elastic modulus of TiC composite. The elastic modulus of the composite decreased with increasing temperature. The improvement of high temperature strength and thermal conductivity and the decrease of thermal expansion will benefit the application of TiC composites in high temperature environment where the temperature usually varies.     

中间层厚度对LAS玻璃陶瓷与C/C复合材料连接强度的影响

采用不同厚度的MgO-Al2O3-SiO2(MAS)玻璃作为中间层,对表面改性炭/炭(C/C)复合材料与Li2CO3-Al2O3-SiO2(LAS)玻璃陶瓷进行热压连接,重点研究了中间层厚度对接头强度的影响,并利用扫描电子显微镜(SEM)对连接界面及剪切断口的微观组织和形貌进行了分析.结果表明:没有添加中间层时,接头强度仅为10MPa;采用MAS玻璃作为中间层时,接头室温剪切强度随着中间层厚度的增加先增大后减小,当中间层厚度为80μm时,获得的接头剪切强度最大,为26.61MPa.     

高导热C/C复合材料的研究进展

综述了高导热C/C复合材料的研究现状及进展.从C/C复合材料的导热机理出发,分析了C/C复合材料的热物理性能以及影响其导热性能的因素.介绍了不同类型碳纤维、基体炭的导热性能,以及高导热C/C复合材料的制备及改性.