C/Si-C-N复合材料的制备及其氧化行为研究

采用CVI方法制备出了以Si-C-N陶瓷为基体以热解炭为界面的炭纤维增强陶瓷基复合材料(C/Si-C-N)。采用热重法研究了C/Si-C-N复合材料在空气中的氧化行为,并探讨了基体制备温度对复合材料抗氧化性能的影响。研究表明:不同温度下制备的复合材料,其氧化行为完全不同。高温下制备的C/Si-C-N复合材料其氧化失重随氧化温度的升高而持续增加;低温下制备的C/Si-C-N复合材料则其氧化失重先随温度的升高而增加,随后在800~1000℃之间随温度的升高而减小,接着又随温度的升高而增加。较高的制备温度可使复合材料在900℃以下温度区间的抗氧化性能得到提高,但却使900℃以上温度区间的抗氧化性能降低。     

梯度分布TaC界面改性C/C复合材料的微观结构与力学性能

利用化学气相渗透法在三维细编穿刺炭毡中的炭纤维表面沉积TaC陶瓷界面,通过控制气体在预制体中的流动方向,获得梯度分布TaC界面改性C/C复合材料。研究了材料的微观结构、弯曲性能以及断裂韧性,结果表明:TaC呈层状分布在炭纤维表面,从C/C复合材料表层到内部,TaC陶瓷相的含量呈梯度分布;梯度分布TaC界面改性C/C复合材料的平均弯曲强度为272.6MPa,平均断裂韧性为5.0MPa·m1/2;整体上,沿材料厚度(Z轴)方向,随TaC含量的降低,纤维的拔出长度明显变短;在表层富TaC区,TaC含量对材料断裂行为有较大影响,其表现为:在TaC含量较多的外层,材料断裂为脆性断裂,而在TaC含量较少的内层,材料断裂为假塑性断裂。     

C/C复合材料基体改性研究现状

基体改性是对C/C复合材料进行氧化防护的主要措施之一.综合国内外近几年的研究报道,重点介绍了3种基体改性方法,指出基体置换法将是今后的研究重点,而SiC陶瓷是比较理想的置换炭基体的材料.综述了化学气相渗透法(CVI)、先驱体转化法(PIP)和液相渗硅法(LSI)制备C/C-SiC复合材料的优点及其不足.对C/C复合材料的抗氧化研究方向提出了一些见解.     

国内TaC-C/C复合材料制备及其抗氧化性能研究新进展

重点总结了国内近几年TaC-C/C复合材料的制备工艺以及取得的成果,阐述了TaC-C/C复合材料抗氧化性能研究新进展,指出目前的研究成果尚不能满足高温领域内的应用要求.下一阶段TaC-C/C复合材料制备技术发展方向集中于将含TaC复合涂层技术与TaC基体改性技术相结合,制备高延性的过渡层,以解决复合涂层之间、涂层与基体之间的化学匹配性和机械相容性问题,同时加大对TaC-C/C复合材料超过1800℃高温时的氧化性能与氧化机理的系统研究.     

ZrC改性C/C-SiC复合材料的力学和抗烧蚀性能

采用碳纤维针刺预制体, 用前驱体浸渍裂解(PIP)法分别制备了C/C-SiC和C/C-SiC-ZrC陶瓷基复合材料, 并对材料的微观结构、力学和烧蚀性能进行了分析对比。结果表明:利用该方法可制备出陶瓷相填充充分且分布均匀的复合材料。C/C-SiC-ZrC的面内弯曲强度、厚度方向的压缩强度、层间剪切强度均低于对应的C/C-SiC的。2 200 ℃、600 s氧化烧蚀后, C/C-SiC-ZrC的抗烧蚀性能显著优于C/C-SiC, 其线烧蚀率下降43.8%, 质量烧蚀率下降25%。在超高温阶段, C/C-SiC-ZrC复合材料基体的ZrC氧化生成的ZrO₂溶于SiC氧化生成的SiO₂中, 形成黏稠的二元玻璃态混合物, 有效阻止了氧化性气氛进入基体内部。      

“CVI+压力PIP”混合工艺制备低成本 C/SiC复合材料

以低成本填料改性有机硅浸渍剂作为先驱体,采用"化学气相渗透法+压力先驱体浸渍裂解法"(CVI+P-PIP)混合工艺制备了低成本C/SiC陶瓷复合材料.研究了浸渍剂裂解机理,探讨了界面涂层对复合材料性能的影响.结果表明,填料改性有机硅浸渍剂裂解产物结构致密、陶瓷产率高;压力可提高填料改性有机硅浸渍剂的致密效率.混合工艺充分利用沉积SiC基体和裂解SiC基体的致密化特点,有效缩短了制备周期.C/SiC/C三层界面不仅可降低纤维/基体之间结合强度界面,提高了复合材料韧性;而且减缓了氧化性气体扩散到碳纤维表面的速度,改善了复合材料的抗氧化性能.复合材料的抗弯强度达到455MPa,断裂韧性达到15.7MPa·m-1/2.在1300℃空气中氧化3h,复合材料失重仅8.5%.     

Si-O-C界面对C/Si-C-N复合材料性能的影响

采用CVI工艺制备基体、PIP方法制备界面,成功制备出了具有Si-O-C界面层的碳纤维增强Si-C-N陶瓷基复合材料(C/Si-O-C/Si-C-N),研究了Si-O-C界面层对C/Si-C-N复合材料力学性能、抗氧化性能和热膨胀性能的影响。结果表明,C/Si-C-N陶瓷基复合材料在采用Si-O-C界面层后,相对于采用热解碳界面的同类复合材料,其抗氧化性能明显提高,强度则基本相当,在实验温度区间内,平均热膨胀系数略有升高。     

CVI-PIP工艺制备C/SiC复合材料及其显微结构研究

采用化学气相渗透(CVI)与先驱体浸渍裂解(PIP)两种工艺方法联用制备C/SiC陶瓷基复合材料,通过与单纯PIP工艺的致密化效率比较,复合材料的扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)分析,结果表明:采用CVI-PIP联用的方法制备C/SiC复合材料,致密化程度有明显的提高.CVI沉积SiC基体结晶性较好,为典型的β-SiC晶体结构;而PIP先驱体聚碳硅烷裂解基体为无定型结构,基体结构差异是决定材料结构与性能的关键因素.     

Si-O-C界面层对C/SiC-N复合材料力学性能和热膨胀性能的影响

以CVI方法制备基体、以PIP工艺制备界面层成功制备出了具有Si-O-C界面层的碳纤维增强Si-C-N陶瓷基复合材料(C/Si-O-C/Si-C-N),研究了Si-O-C界面层对C/Si-C-N复合材料力学性能和热膨胀性能的影响。结果表明:C/SiO-C/Si-C-N的抗弯强度与C/PyC/Si-C-N基本相当,Si-O-C界面层在C/Si-C-N中可起到与PyC界面层基本相同的作用;在实验温度区间内,C/Si-O-C/Si-C-N平均热膨胀系数比C/PyC/Si-C-N略有升高。     

含PyC-TaC-PyC复合界面C/C材料的氧乙炔焰烧蚀行为

用化学气相渗透方法,在准三维针刺炭毡中预沉积热解炭(PyC)和TaC涂层,再利用热解炭和树脂炭对该预制体进行后续致密化,制得含PyC-TaC-PyC复合界面的C/C复合材料(TaC-C/C),并对其进行氧乙炔焰烧蚀。与C/C相比,3 vol%TaC-C/C材料耐烧蚀性能无明显提高,且无法承受长时间的氧炔焰烧蚀;而14 vol%TaC-C/C材料表现出较好的长时间耐烧蚀性能。氧炔焰烧蚀后,复合材料表面由C、TaC、(Ta,O)及Ta₂O₅相组成。3 vol%TaC-C/C材料表面主要形成细小弥散的烧蚀斑点(5～20s)和烧蚀凹坑(120s);而14 vol%TaC-C/C材料表面则主要形成烧蚀斑点(5s)、较完整的氧化钽层(20s)以及烧蚀凹坑(120s)。14 vol%TaC-C/C材料在烧蚀20s后,复合材料可分为表面氧化物区、过渡区和基体区;复合材料表面完整连续的氧化钽层能有效保护复合材料。     

细颗粒B4C-SiC/C复合材料的抗氧化性能

用球磨分散方法制备了细颗粒B4C—SiC／C石墨复合材料，采用热分析仪测量了材料在800、1200和1400℃下的抗氧化行为，用扫描电镜观测了氧化样品的表面形貌．结果表明：细颗粒B4C—SiC／C石墨复合材料氧化后有优良的自愈合抗氧化性能，因为均匀分散的细颗粒陶瓷粒子可以迅速形成保护膜覆盖在基体表面，有效地抑制基体进一步氧化。     

CVR法抗氧化处理对炭/炭复合材料氧化行为的影响

采用化学气相渗透 (CVI)炭和硅蒸汽与碳直接反应的化学气相反应法(CVR) 相结合,制备了针刺炭布C/C/SiC复合材料,研究了材料的氧化性能及氧化形貌。结果表明:制备的密度为2.47g/cm3、开孔率为2.2%的C/C/SiC材料经1160℃、65min氧化后,失重率仅为2.6%;而同结构C/C材料相同条件下失重率高达32%。但当所制备的材料密度较低 ( 1.81g/cm3)、开孔率较高 (7.1%) 时,由于其无法形成连续SiO₂保护膜,氧化从纤维与基体界面开始,表现出与C/C材料相类似的氧化过程。      

料浆浸渗法结合CVI制备3D C/SiC-TaC复合材料及其烧蚀性能研究

采用含1μmTaC微粉4%(体积分数)的料浆向10mm厚的3D碳纤维预制体中引入TaC,得到微粉含量高、中、低的三种预制体, CVI沉积SiC致密化后制得3D C/SiC-TaC多元基复合材料.氧-乙炔烧蚀试验后采用XRD和SEM对烧蚀产物和显微结构进行分析.结果表明:料浆法结合CVI可制备出C/SiC-TaC复合材料,高含量的TaC微粉烧蚀后形成的TaC和Ta2O5的固液混合物,能对烧蚀面进行有效包覆,有助于提高烧蚀性能.     

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。     

碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料研究进展

超高温陶瓷(UHTCs)因在高超声速飞行器热防护领域的巨大应用前景而备受关注,而脆性大、烧结成型困难是制约UHTCs广泛应用的实质问题。将碳纤维与UHTCs复合获得碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料(C_f/UHTCs)是克服这一问题的可靠方案。近10年来,我国在C_f/UHTCs工程应用方面获得了重大突破,取得了一系列具有世界先进水平的应用成果。然而,由于C_f/UHTCs制备过程复杂,服役环境苛刻( 2000℃, 5 Ma气流冲刷),在结构演化、性能机理等方面仍存在一些关键科学问题亟需明确。综述了C_f/UHTCs在基体改性、氧化烧蚀机理、高温力学行为等方面的研究进展,并结合本团队的研究工作对C_f/UHTCs的研究趋势进行了总结和展望,旨在为进一步推动C_f/UHTCs的研究和发展提供参考。     

CVI法制备的C/PyC/Si-C-N复合材料弯曲行为研究

采用CVI方法制备出了以Si-C-N陶瓷为基体、以热解碳为界面的碳纤维增强陶瓷基复合材料(C/PyC/Si-C-N).用扫描电子显微镜(SEM)分析了C/PyC/Si-C-N的断口形貌,用三点弯曲法测试了C/PyC/Si-C-N的弯曲行为.研究结果表明:在1600℃以下,C/PyC/Si-C-N的弯曲强度随温度的升高而增加,弹性模量基本保持不变并略有增加;随温度的升高,PyC界面层较厚的区域其界面结合会逐渐变强,而界面层厚度非常小或无界面层的区域其界面结合会逐渐变弱.     

TaC粉末/涂层制备技术的研究进展

TaC是一种具有广阔应用前景的抗烧蚀涂层材料.评述了近年来TaC粉末/涂层制备技术的研究和进展,简要总结了现有TaC粉末/涂层的制备技术,包括固相法、气相法和液相法等,讨论了各种制备技术的发展现状及其优缺点,介绍了国内TaC改性C/C复合材料的研究现状,提出了TaC用于C/C复合材料涂层时,其制备和应用中存在的问题以及解决方法,预测了TaC涂层在高温领域的广阔应用前景.     

C/SiC-SiB4复合材料的制备及氧化行为

在多孔C/SiC中渗入SiB4微粉后,采用先驱体浸渍裂解(PIP)结合化学气相渗透(CVI)法进行致密化制备C/SiC-SiB4复合材料.利用XRD、EDS、SEM分析了材料的组分及微结构.研究了材料在500～1000℃静态空气的氧化行为,并与致密C/SiC复合材料的氧化行为进行了比较.结果表明,SiB4主要渗入到纤维束间,它与随后PIP及CVI法引入的SiC较好地结合在一起.在氧化过程中,SiB4起自愈合作用,它能减缓碳纤维和界面的氧化.在600～900℃氧化10h后,C/SiC-SiB4的失重率均比致密C/SiC小,抗弯强度没有明显降低,且均比致密C/SiC高.     

基于短切碳纤维表面均匀包覆Cu层工艺的C_f/Cu复合材料制备与表征

为制备能够在Cu基体中分散均匀的大体积分数的短碳纤维(C_f)/Cu复合材料,采用电化学法在C_f表面进行了镀Cu处理,用平行Cu片做阴极代替长碳纤维束,得到镀层均匀光洁的镀Cu短C_f。在此基础上,将2V,30min条件下的C_f/Cu复合丝直接采用放电等离子烧结(SPS)制备了46vol%C_f/Cu复合材料(试样1),又用Cu粉与未包覆的C_f直接混合再烧结制备了另一种46vol%C_f/Cu复合材料(试样2)。利用XRD和SEM分别研究了C_f/Cu复合丝和C_f/Cu复合材料的物相成分、表面及断口形貌,对C_f原丝、C_f/Cu复合丝以及用2种方式制备的C_f/Cu复合材料进行了力学性能研究。结果表明:C_f/Cu复合丝拉伸载荷-位移曲线上出现了较大幅度的波动,这与其表面镀Cu层受力时发生不连续断裂有关。试样1组织的均匀性及力学性能均优于试样2。与Cu相比,用2种不同方法制备的C_f/Cu复合材料的抗拉强度低于Cu,但屈服强度比Cu高。     

纤维表面涂层对SiC(f)/SiC复相陶瓷力学性能和界面结构的影响

报道了化学气相浸渍（CVI）工艺制备的SiC（f）/SiC复相陶瓷中纤维表面涂层对复合材料力学性能和显微结构的影响。SEM观察表明：C或B N表面涂层改变了SiC（f）/SiC复相陶瓷中纤维与基体间的强界面结合,使断裂过程中的界面解离和纤维拔出大大增加,与此同时材料的断裂韧性和断裂功明显提高。说明C或BN纤维表面涂层能够大大地改善SiC（f）/SiC复相陶瓷的脆性断裂行为模式。高分辨电镜的观察证实在CVI过程初期,纤维表面首先发生石墨界面相的沉积,该界面相具有明显的层状晶格条纹,而纤维表面C涂层为无定型态。