有机无机转化法制备超高温陶瓷基复合材料技术研究

超高温陶瓷基复合材料是以连续碳纤维为增强体、超高温陶瓷为基体的一类复合材料,具有密度低、韧性好、耐高温、抗氧化及耐烧蚀等优异性能,在新型高速飞行器热结构应用方面有着不可替代的作用。碳纤维增强体和陶瓷基体是超高温陶瓷基复合材料的两个重要组成部分,对复合材料使役性能起着决定性作用,但是,碳纤维与陶瓷基体的理化性质差异大,如何将碳纤维与陶瓷基体进行有效复合,以便充分发挥碳纤维轻质、高强韧特性与陶瓷基体抗氧化、耐烧蚀特性,是超高温陶瓷基复合材料基础研究和工程应用需要解决的主要问题。本文论述了有机无机转化法制备超高温陶瓷基复合材料技术的发展思路,介绍了超高温有机陶瓷前驱体的设计与合成、C/ZrC-SiC和C/HfTaC-ZrC-SiC复合材料的研究结果,探讨了解决新型高速飞行器高温气动/燃气环境氧化烧蚀问题的材料技术方案,为连续纤维增强超高温陶瓷基复合材料的技术发展和工程应用提供借鉴。     

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。     

掺杂改性C/C复合材料研究进展

陶瓷掺杂改性碳/碳(C/C)复合材料在保持C/C复合材料原有优异高温力学性能及尺寸稳定性等特性的前提下,显著提高了C/C复合材料的高温抗氧化、抗烧蚀性能,且其具有可设计性和良好的抗热震性能等优势,是新型高超声速飞行器和新一代高性能发动机热防护部件的理想候选材料。综述了国内外在SiC陶瓷掺杂改性C/C复合材料,ZrC,ZrB2超高温陶瓷掺杂改性C/C复合材料以及TaC,HfC超高温陶瓷掺杂改性C/C复合材料等方面的最新研究进展和应用情况,并分析了陶瓷掺杂改性C/C复合材料目前研究及应用中存在的主要问题和今后潜在的研究发展方向。     

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。     

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.     

超高温陶瓷涂层的研究进展

综述了近年来超高温陶瓷涂层的研究现状及其在航空航天领域的应用,归纳了常用的硅化物涂层、碳化物涂层、硼化物涂层、氧化物涂层以及复合涂层的研究进展。从其结构、性能及作用机理等方面进行了阐释,并对超高温陶瓷涂层的发展方向进行了展望。     

Cf/ZrC-ZrB2-SiC-C超高温陶瓷复合材料的显微结构表征

利用X-射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对Cf/ZrC-ZrB2-SiC-C超高温陶瓷复合材料的相组成、纤维/热解碳层的界面特征和超高温陶瓷基体的显微结构特征进行了表征。在碳纤维表面有一层厚度为2～3μm石墨化程度较高的热解碳界面层,该界面层可以避免采用PIP工艺制备超高温陶瓷基体时可能对碳纤维造成的损伤。热解碳层与碳纤维之间为弱机械结合,其界面间分布着20～30 nm的ZrC纳米颗粒。Cf/ZrC-ZrB2-SiC-C超高温陶瓷复合材料基体主要由ZrC,ZrB2,SiC和石墨相(Cg)组成。基体中石墨的(002)面沿着ZrC,ZrB2或SiC的表面生长。在石墨与ZrB2和石墨与SiC的界面没有观察到取向关系,界面处既没有反应层也没有非晶相存在。在石墨与ZrC之间存在ZrC(111)∥Cg(002),ZrC[110]∥Cg[010]的取向关系。ZrB2和SiC之间也没有界面反应和非晶层存在。     

Cf/SiC陶瓷基复合材料在航天领域的研究与应用

碳纤维增强碳化硅(Cf/SiC)陶瓷基复合材料是近年来发展起来的新型高温结构材料.综述了Cf/SiC陶瓷复合材料的主要制备工艺和氧化防护方面的研究进展,概括介绍了Cf/SiC陶瓷复合材料在航天领域的应用与研究,最后指出了有待解决的问题和研究方向.     

硼化锆基超高温陶瓷材料的研究进展

由于在极端环境中具有优异的物理化学性能,超高温陶瓷成为未来高超声速飞行和可重复使用运载飞船领域最具前途的候选材料之一。本文对硼化锆基超高温陶瓷材料粉体合成、烧结致密化和高温热机械性能(主要为抗氧化和抗烧蚀性能)研究方面作了综合评述,对材料研究和应用方面存在的问题作了初步总结,期望能够为推动超高温陶瓷材料的实际应用起到一定的指导意义。     

超高温复相陶瓷基复合材料烧蚀行为研究

采用前驱体浸渍热解(PIP)工艺制备了ZrC-SiC、ZrB2-ZrC-SiC和HfB2-HfC-SiC复相陶瓷基复合材料,复合材料中的超高温陶瓷相均呈现出亚微米/纳米均匀弥散分布的特征,对比研究了上述材料在大气等离子和高温电弧风洞考核环境中的超高温烧蚀行为.研究结果表明,超高温复相陶瓷基复合材料相比传统的未改性SiC...