含钽(Ta)C/C复合材料烧蚀分析

根据TaC和C/C复合材料的物理化学性质及烧蚀环境推测C/TaC/C复合材料的烧蚀机理,并对其抗侵蚀机理及剥蚀进行了预测分析,在分析C/TaC/C复合材料烧蚀机理的基础上建立其烧蚀模型。根据Darcy定律确定TaC液体流动的速度,并在此基础上利用流体动力学和质量守恒定律等推导出C/TaC/C复合材料质量烧蚀率公式。     

SRM用C/C复合材料抗烧蚀技术发展

C/C复合材料因其优异的高温力学性能和抗烧蚀、抗冲击性能，已被广泛用作SRM的喉衬。本文详细介绍和分析了C/C复合材料的热化学烧蚀机理和机械剥蚀机理，在此基础上综述了近年来提高C/C复合材料抗烧蚀性能的方法及其研究进展，并对各种方法的优缺点进行分析，依据各种方法的优劣并结合工程实践对国内抗烧蚀C/C喉衬工程化应用发展提出建议。     

燃气发生器条件下穿刺C/C复合材料喷管的烧蚀性能研究

研究了穿刺C/C复合材料喷管在酒精/氧气燃气发生器模拟的液体火箭发动机富氧燃气环境中的烧蚀性能, 分析了穿刺C/C复合材料的烧蚀机理及燃气参数对烧蚀性能的影响. 结果表明, 喷管喉部线烧蚀率为(0.055±0.029)mm/s, 质量烧蚀率为0.186kg/(m²·s). 喷管收敛段下游到喉部区域烧蚀最严重, 收敛段上游其次, 扩散段烧蚀最弱. 烧蚀过程是热化学烧蚀和气流冲刷综合作用的结果, 燃气温度和氧化性组分H₂O和CO₂含量决定穿刺C/C复合材料热化学烧蚀率, 压强和流速影响穿刺C/C复合材料的机械剥蚀.     

烧蚀条件对混合基体C/C复合材料烧蚀性能的影响

采用电弧驻点烧蚀技术,在不同焓值、驻点压力和烧蚀时间条件下对混合基体C/C复合材料的烧蚀性能进行了研究,结果表明:电弧驻点烧蚀条件下,混合基体C/C复合材料的烧蚀以机械剥蚀为主;焓值增加、驻点压力提高、烧蚀时间延长,烧蚀率增加.C/C复合材料的烧蚀性能对驻点压力十分敏感,当压力提高一倍时,材料烧蚀率将成倍增长;质量烧蚀率与驻点压力和气流焓值的关系为:mt=0.0034·H1.0663S·P1.8270S.     

2D-C/C复合材料及其石墨化制品烧蚀特性分析

以液化石油气为碳源,2D炭纤维织物为基体,通过1000℃~1100℃沉积热解炭,制备了沉积态2D-C/C复合材料。通过对沉积态2D-C/C复合材料在2800℃热处理10h制备了石墨态2D-C/C复合材料。采用小型发动机烧蚀实验对两种复合材料的烧蚀性能进行了测试和评价;通过比较两种复合材料的孔隙分布、基体和纤维的结合强度以及热导率,解释了它们不同的烧蚀特性和烧蚀机理。结果表明:沉积态2D-C/C复合材料由于孔隙分布少、基体和纤维结合强度大、面间热导小,烧蚀主要由热化学反应(氧化)控制,烧蚀表面平整,烧蚀率为0.033mm/s。石墨态2D-C/C复合材料由于孔隙分布多、基体和纤维结合强度小,烧蚀主要由氧化和机械剥蚀控制,烧蚀表面出现烧蚀坑,烧蚀率为0.046mm/s。     

C/C复合材料烧蚀性能的研究进展

C/C复合材料是一种良好的抗烧蚀和耐高温热结构材料,广泛应用于航天航空等领域.综述了C/C复合材料烧蚀性能的测试方法、烧蚀机理、烧蚀模型以及抗烧蚀的研究状况.     

ZrB2改性C/C复合材料微观结构及烧蚀性能的研究（英文）

采用超声波真空浸渍-碳热还原法将ZrB2引入碳纤维预置体,结合热梯度化学气相渗透、高温石墨化工艺制备了ZrB2改性C/C复合材料.氧-乙炔烧蚀测试结果表明,添加了6.87 wt%ZrB2后,C/C复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别下降了64.9%和67.5%.分析表明,C/C复合材料的烧蚀主要是由热化学和热物理反应控制,机械剥蚀在烧蚀过程中仅起到次要作用.烧蚀产物ZrO2/B2O3在烧蚀过程中的挥发会带走大量的热,从而减少了烧蚀火焰对烧蚀表面的热冲击.     

不同制备方法下(C/C)/ZrB2-SiC复合材料的抗烧蚀性能

采用涂刷法和浆料浸渍法在（C/C）/SiC复合材料基础上制备了（C/C）/ZrB₂-SiC复合材料,采用微观分析和氧-乙炔烧蚀试验,并借助SEM、EDS等手段,研究三种材料的微观结构、抗烧蚀性能和抗烧蚀机制。结果表明:制备的（C/C）/ZrB₂-SiC复合材料的抗烧蚀性能优于（C/C）/SiC复合材料,相比（C/C）/SiC复合材料,涂刷法制备的（C/C）/ZrB₂-SiC复合材料600 s和1 000 s线烧蚀率下降33.3%和15.4%,质量烧蚀率下降51.5%和25.5%;浆料浸渍法制备的（C/C）/ZrB₂-SiC复合材料600 s和1 000 s线烧蚀率下降20%和28.8%,质量烧蚀率下降42.4%和53.2%,其在高温阶段形成的ZrO₂-SiO₂玻璃态熔融层起到了抗氧化冲刷的作用,大幅提高其抗烧蚀性能。三种材料的烧蚀机制是热化学烧蚀、热物理烧蚀和机械剥蚀的综合作用。      

3D C/SiC复合材料喷管在小型固体火箭发动机中的烧蚀规律研究

采用小型固体火箭发动机研究了3D C/SiC复合材料喷管的烧蚀性能,分析了3D C/SiC的烧蚀机理及燃气参数对烧蚀性能的影响.结果表明,喷管喉部线烧蚀率为0.128±40.088mm/s,质量烧蚀率为0.166kg/(m2.s);受喷管内燃气组分、温度、压强和流速等环境参数的影响,3D C/SiC的烧蚀涉及不同机理的非均匀烧蚀.喉部及其上下游过渡区域烧蚀最严重,收敛段其次,扩散段烧蚀最弱.烧蚀过程是热物理化学侵蚀和机械剥蚀综合作用的结果:涉及SiC的分解流失,SiC和碳纤维的氧化烧蚀,还涉及低速Al2O3大粒子的机械化学侵蚀,高速Al2O3小粒子的机械侵蚀等.     

不同预制体结构炭/炭复合材料烧蚀性能

采用电弧驻点烧蚀实验方法, 测试了分别以细编穿刺毡和针刺无纬布整体毡为增强体的2种C/C复合材料的烧蚀率, 并用电子扫描显微镜观察了烧蚀表面形貌。结果表明: C/C复合材料的烧蚀由化学烧蚀和机械剥蚀共同控制, 以机械剥蚀为主; 细编穿刺毡结构C/C复合材料由于Z向纤维束的存在, 加速了材料烧蚀表面粗糙度的变化, 烧蚀率略高于针刺无纬布整体毡结构C/C复合材料; 针刺无纬布整体毡结构C/C复合材料中无纬布层与烧蚀气流垂直, 具有良好的烧蚀性能。      

反应熔渗制备ZrC-SiC/(C/C)复合材料组织结构及耐烧蚀性能

采用反应熔渗法（RMI）制备出密度为3.288 g/cm3的ZrC-SiC/（C/C）复合材料,采用SEM-EDS、XRD和TEM等分析手段研究了ZrC-SiC/（C/C）复合材料的微观组织结构。结果表明:陶瓷相填充充分且均匀分布在C/C复合材料基体中,其内部组织主要由ZrC、SiC、热解炭（PyC）和碳纤维（CF）组成。熔渗剂反应充分,复合材料内部未检测到残余未反应金属Zr、Si。采用氧乙炔烧蚀设备检测ZrC-SiC/（C/C）复合材料在2 500℃下,烧蚀时间分别为30 s、60 s和90 s的烧蚀性能,其质量烧蚀率分别为5.667 mg/s、2.907 mg/s和3.030 mg/s,线烧蚀率分别为1.001 μm/s、4.662 μm/s和4.450 μm/s。试验结果表明,在高温烧蚀过程中,ZrC-SiC/（C/C）复合材料烧蚀中心区陶瓷相逐渐氧化生成ZrO₂和SiO₂;生成的ZrO₂和SiO₂混合物保护并填充复合材料烧蚀孔隙,阻止氧化反应向材料内部进行,有效提高了材料的烧蚀性能。      

C／C—ZrC复合材料高温氧乙炔焰烧蚀性能及机理研究

采用基体改性技术将ZrC引入C／C复合材料中,制备了一种新型的C／C—ZrC复合材料。通过氧乙炔焰烧蚀实验,研究了ZrC含量及烧蚀时间对C／C—ZrC复合材料高温耐烧蚀性能的影响。用XRD和TEM对烧蚀后材料的相组成和微观结构进行了分析,结果表明,ZrC被氧化的主要生成物为ZrO2,伴有少量ZrC和C,含26．46％ZrC的C／C—ZrC复合材料,在氧乙炔焰烧蚀50s后,在材料表面生成致密的ZrO2膜,阻挡了氧对基体的扩散,并有隔热作用,有效保护复合材料被烧蚀和冲刷。实验表明,复合材料在高温氧乙炔焰烧蚀20s后,线烧蚀率和质量饶蚀率分别为0．012mm／s和0．0033g／s,比C／C复合材料分别降低7．6％和50％。     

ZrC-Cu-C/C复合材料的烧蚀性能及烧蚀机制

为了提高炭/炭(C/C)复合材料的耐烧蚀性能,以孔隙率为38%的C/C复合材料为坯体,Zr-Cu混合粉末为熔渗剂,采用反应熔渗法制备了ZrC-Cu-C/C复合材料。通过氧-乙炔焰烧蚀实验,研究了熔渗剂成分对复合材料高温耐烧蚀性能的影响。利用XRD、SEM和EDS对烧蚀前后ZrC-Cu-C/C复合材料的相组成和微观结构进行了分析。结果表明:ZrC-Cu-C/C复合材料烧蚀前主要存在C、ZrC和Cu相,有微量Zr残余;烧蚀20s后表面主要存在炭基体、ZrO_2、CuO、Cu_2O及残余的ZrC和Cu。随熔渗剂中Zr含量增加,复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率均呈现先减小后增大的趋势,以60%Zr-Cu(质量分数)为熔渗剂制备的ZrC-Cu-C/C复合材料的抗烧蚀性能最佳,其线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.0018mm·s~(-1)和0.0013g·s~(-1)。ZrC-Cu-C/C复合材料的烧蚀机制为以C的升华、ZrO_2的熔化及Cu的蒸发和汽化为主的热物理烧蚀、ZrC和C氧化的热化学烧蚀以及高压热流冲刷引起的机械剥蚀的综合作用。     

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。      

Microstructure and Ablation Behavior of W Coating Prepared by Atmospheric Plasma Spraying for Zr/Cu Infiltrated C/C Composites

To improve the ablation resistance of carbon/carbon (C/C) composites, W coating prepared by atmospheric plasma spraying (APS) for Zr/Cu infiltrated C/C composites are fabricated, the Zr/Cu infiltrated C/C composites are prepared by reactive melt infiltration (RMI). The microstructural features of the composites are examined by scanning electron microscopy coupled with energy dispersive spectrometry (SEM‐EDS), X‐ray diffraction (XRD), and transmission electron microscopy (TEM). The ablation resistance of the W coated Zr/Cu infiltrated composites are tested in the oxyacetylene torch environment at heat flux of 4186 kW m^?2 for 150 s. The results show that the diameter of ablation center and line ablation rate (LAR) of W coated composites are about 3.92 mm and 5.16 × 10^?3 mm s^?1. Compared to pure C/C and the Zr/Cu infiltrated composites, the diameters of ablation center of W coated composites are reduced by 18.00% and 15.52%, the LAR of W coated composites decreases by 74.52% and 23.55%. Overall, the W coated composites depict good ablation property due to the high melting point of W coating, which can be resistant to high‐temperature oxidation and ablation, the sublimation of WO₃ carries away the heat.

     

Fe基高温合金涂层封填C/C-ZrC-SiC复合材料的制备及抗烧蚀机制

为了改善C/C-ZrC-SiC复合材料在高超声速飞行器热防护领域的使用性能,采用低压悬浮浸渗法制备出Fe基高温合金涂层封填C/C-ZrC-SiC复合材料。利用XRD、SEM、EDS等手段研究氧乙炔焰烧蚀前后Fe基高温合金涂层封填C/C-ZrC-SiC复合材料表层微观结构演变规律,阐明了Fe基高温合金涂层对C/C-ZrC-SiC复合材料烧蚀行为的影响。结果表明:C/C-ZrC-SiC复合材料在1 650℃的大气环境下并通过低压悬浮浸渗法浸渗2 h后,其表层形成一层均匀、致密、且结合紧密的Fe基高温合金涂层。在2 500℃下烧蚀180 s后,改性后的C/C-ZrC-SiC复合材料表面出现较小的烧蚀坑,质量烧蚀率相比未表面改性的试样降低了8%,线烧蚀率降低了35%。且表面生成一层均匀致密的Fe₂O₃-ZrO₂复合氧化物保护层,大大降低了表面裂纹、孔洞等缺陷的产生,从而降低了氧的扩散速率及缺陷带来的应力集中。最终Fe基高温合金覆盖层提高了C/C-ZrC-SiC复合材料的高温抗氧化性和抗机械剥蚀性能。      

由炭布制备C／C复合材料工艺及性能的研究

为通过快速增密和低设备成本降低C／C复合材料的成本,采用中压浸渍、炭化多次循环的工艺制备了快速增密的C／C复合材料。该工艺以Z向增强的层叠炭布为增强体,不同软化点的中间相沥青和改性沥青为浸渍剂。考察了浸渍工艺,并研究了所得C／C复合材料的力学性能和断裂形貌。结果表明,中间相沥青及改性沥青等高残炭收率沥青是C／C复合材料极佳的浸渍剂,有利于快速增密。8次循环后（约2周时间）,复合材料的密度从0.84g/cm^3增至1.76g/cm^3。炭布层叠Z向增强的C／C复合材料有良好的力学性能,而且其性能随着密度的增加而提高。所得复合材料的密度达到1.76g/cm^3时,拉伸强度为87.03MPa,弯强为113.56MPa,压缩强度为199.49MPa。     

聚合物浸渍裂解法制备C/C-ZrC复合材料及其性能

本文以低密度C/C复合材料为坯体,有机锆聚合物为前驱体,采用聚合物浸渍裂解法(PIP)制备C/C-ZrC复合材料,并对其微观结构、力学性能、烧蚀性能以及烧蚀机理进行了研究。结果表明ZrC在材料内分布均匀,密度为2.05g·cm~(-3)的C/C-ZrC复合材料其弯曲强度为89.70MPa,呈脆性断裂。经氢-氧焰烧蚀150s后其线烧蚀率为-2.2×10~(-3)mm·s~(-1),质量烧蚀率为-1.0×10-3g·s~(-1),远低于密度为1.86g·cm~(-3)的C/C复合材料(线烧蚀率:4.4×10~(-3) mm·s~(-1),质量烧蚀率:7.5×10~(-4)g·s~(-1));在烧蚀的过程中,ZrC表现出优先氧化,同时生成的ZrO_2阻挡层能有效阻挡热量的传递和氧气的渗透,提高了材料的抗烧蚀性能。