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。     

不同ZrC含量的(C/C)/SiC-ZrC复合材料的抗烧蚀性能

采用先驱体转化(PIP)法制备了不同ZrC含量的(C/C)/SiC-ZrC复合材料,考察了ZrC含量对复合材料微观结构和抗烧蚀性能的影响。结果表明,氧乙炔烧蚀600 s后,(C/C)/SiC复合材料表面疏松,出现了较大的烧蚀凹坑;而(C/C)/SiC-ZrC复合材料表面相对较致密,被白色氧化物质覆盖,烧蚀率均有所降低。在较低的ZrC含量下,(C/C)/SiC-ZrC复合材料表面形成ZrO₂-SiO₂二元共熔体系氧化膜,有效抑制氧化性气氛向复合材料内部渗透,同时氧化物不断熔化和挥发,降低了复合材料烧蚀表面的温度;而当ZrC体积分数为12.4vol%时,在烧蚀过程中(C/C)/SiC-ZrC复合材料表面能形成一个ZrO₂外层/SiO₂内层的双层结构保护膜,ZrO₂是一种优异的热障材料,且导热系数较低,使烧蚀过程中烧蚀区域热扩散降低,因此(C/C)/SiC-ZrC复合材料表现为较高的表面温度,但双层氧化膜阻挡有氧气氛进一步进入复合材料内部,使复合材料表现出优异的抗烧蚀性能。      

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。     

先驱体转化法制备 2D C/SiC-ZrB2复合材料及其性能

针对高超音速飞行器、可重复使用运载器和下一代火箭发动机等超高温使用环境的工况要求,提出在2D C/SiC复合材料体系中引入耐超高温相ZrB₂。采用先驱体转化法制备了不同ZrB₂含量的2D C/SiC-ZrB ₂新型复合材料,考察了ZrB₂含量对材料力学性能、微观结构和抗烧蚀性能的影响。结果表明,材料的力学性能(弯曲强度和弯曲模量)随着材料中ZrB₂含量的增加有一定的下降,材料的抗烧蚀性能明显提高。其中含ZrB₂体积分数为19.4%的试样弯曲强度达到242.6MPa,弯曲模量为37.1GPa;经氧乙炔焰烧蚀考核90 s后,试样表面温度达到2329℃,线烧蚀率为0.015 mm/s,质量烧蚀率为 0.005g/s。     

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。      

液相浸渍C/C复合材料反应生成TaC的形貌及其形成机制

采用Ta有机溶剂浸渍C/C复合材料,经固化、热处理制备C/C-TaC复合材料.研究发现:在2MPa浸渍压力下,Ta有机溶剂易于浸渍C/C复合材料和固化;1500℃热处理后,Ta有机溶剂全部转变为TaC,其尺寸细小,结晶度高,呈颗粒状或聚集成团簇均匀分布在热解炭层面上;1800和2000℃热处理后的TaC形貌与1500℃热处理后的相似,Tac颗粒无明显长大现象.Ta有机溶剂转化生成Tac的机理研究表明:热处理过程中,Ta有机溶剂先生成中间相的氧氟化钽,转变为Ta₂O₅后,再与C还原-化合生成TaC.     

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。     

石墨化处理对不同高织构含量C/C复合材料微结构的影响

采用化学气相沉积工艺制备出炭毡增强炭/炭(C/C)复合材料和3K炭布叠层增强C/C复合材料,并对材料进行2500℃高温石墨化处理。利用X射线衍射仪;偏光显微镜及拉曼光谱仪对所制材料进行表征。结果表明,炭毡C/C复合材料基体是单一的高织构(HT)热解炭,3K炭布叠层C/C复合材料的基体是带状组织,从纤维表面向外依次为各向同性热解炭、HT和中织构(MT)热解炭,其中HT含量低于50%;沉积态和热处理后,两种C/C复合材料都具有相似的石墨化度,且热处理后的石墨化度超过80%,但Lc值差异明显,炭纤维、MT和HT热解炭的La值均升高,其中HT热解炭升幅明显大于炭纤维和MT热解炭。HT热解炭的含量是导致这两种C/C复合材料具有相似石墨化度而Lc值却显著差异的原因。     

热解炭结构对C/C复合材料烧蚀性能的影响

采用电弧驻点烧蚀试验方法测试了具有典型光滑层和粗糙层热解炭结构的两种C/C复合材料的烧蚀率,研究了热解炭结构对C/C复合材料烧蚀性能的影响.结果表明:热解炭结构对C/C复合材料烧蚀性能有较大的影响.具有粗糙层结构的C/C复合材料石墨化度高,不同炭结构之间结合好,线烧蚀率和质量烧蚀率较小,烧蚀性能较好;具有光滑层结构的C/C复合材料石墨化度低,烧蚀性能较差.     

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％。     

C/C复合材料Ta2O5-TaC/SiC抗氧化抗烧蚀涂层研究

采用包埋法和低压化学气相沉积(CVD)法在碳/碳(C/C)复合材料表面依次制备了Ta2O5-TaC内涂层和SiC外涂层,用X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)及电子能谱(EDS)对涂层的相组成、微观形貌和元素组成进行了分析,研究了涂覆涂层后C/C复合材料在1 500℃静态空气中的防氧化性能及在氧-乙炔烧蚀中的抗烧蚀性能。结果表明:采用两步法制得的Ta2O5-TaC/SiC复合涂层结构致密,该复合涂层有效提高了C/C复合材料的抗氧化和抗烧蚀性能;Ta2O5-TaC/SiC复合涂层在1 500℃静态空气环境下可对C/C复合材料有效保护100 h以上;涂层试样在氧乙炔烧蚀环境中烧蚀60 s表明涂层可将C/C复合材料的线烧蚀率降低47.07%,质量烧蚀率降低29.20%。     

Effects of TaC addition on the ablation resistance of C/SiC

C/SiC-TaC composites were fabricated by powder infiltration (PI) combined with chemical vapor infiltration (CVI) processing. Their ablation resistance performance was evaluated with oxyacetylene torch flame. The ablation morphology and microstructure of the tested samples were investigated by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), and Energy dispersive X-ray spectrum (EDS), respectively. The results indicated that TaC could improve the ablative resistance of C/SiC composites at ultra high temperatures. Liquid Ta₂O₅ formed due to TaC oxidation could fill the interspaces, cracks, and pores in matrix and to obstruct the diffusing channels of the ablative flames. Presence of TaC and Ta₂O₅ could limit the heat transfer and thus reduce the ablation. The steady SiC-TaC matrix improves the stability of composite.     

Salt-fog corrosion behavior of C/SiC and its effect on ablation resistance

Carbon fiber-reinforced silicon carbide(C/SiC) composites are significantly important candidates for thermal protection materials. The corrosion mechanism of C/SiC composite materials is the basis of their optimization and application. In this study, structural evolution of C/SiC composites fabricated by chemical vapor infiltration was investigated in the salt-fog storage environment. Furthermore, the effect of salt-fog on their ablation behaviors under oxyacetylene flame environment was studied. The ablation morphologies and corrosion mechanisms of C/SiC composites were analyzed and discussed. The results indicated that silica layer with size of c.a. 20 nm was formed on the surface of composite. The extent of corrosion in salt fog was limited, and it had little effect on the ablation behavior of the C/SiC composites,as well on the tensile strength and bending strength.     

烧蚀产物ZrO2对ZrC改性C/C复合材料烧蚀的影响

采用ZrOCl₂溶液浸渍法把含锆组元引入碳纤维预制体, 结合热梯度化学气相渗透、高温石墨化工艺制备了ZrC改性C/C复合材料. 用氧乙炔烧蚀测试材料的烧蚀性能, XRD测试材料烧蚀前后的物相组成, 采用SEM观察材料的微观形貌. 烧蚀结果表明：随着烧蚀次数的增加, 若每次烧蚀后不去除ZrO₂, 材料的线、质量烧蚀率呈先增加后减小的趋势, 最后趋于稳定; 若每次烧蚀后去除ZrO₂, 材料的线、质量烧蚀率均呈增大的趋势. 产物ZrO₂的蒸发吸收了材料烧蚀表面的热量, 减缓了火焰对烧蚀表面的冲蚀, 材料的线烧蚀率减小, 然而, ZrO₂的蒸发会增加材料的质量损失速度, 导致材料的质量烧蚀率增大.     

冲击损伤对C/C复合材料烧蚀性能的影响

利用Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB)装置, 对炭化铪含量为2wt％的C/C复合材料进行了载荷峰值为137MPa的动态冲击损伤, 采用氧乙炔烧蚀装置研究了冲击损伤对C/C复合材料烧蚀性能的影响, 并结合扫描电镜讨论了冲击损伤对样品烧蚀机理的影响. 研究结果表明: 与未受冲击的C/C复合材料相比, 冲击损伤后, 复合材料的质量烧蚀率增加了40％, 线烧蚀率增加了118％.     

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.     

Microstructural interpretation of the ablative properties of phenolic–quartz hybrid fabric reinforced phenolic resin composites

The thermal decomposition behavior of phenolic fiber and phenolic resin (PR) matrix was investigated by using a thermo gravimetric analyzer in nitrogen. The ablative properties of the composite specimens were quantitatively evaluated by performing oxyacetylene flame test and exhaust plume ablative test with a small liquid motor. The ablative properties of phenolic–quartz hybrid fabric reinforced phenolic resin (P–Q/PR) composites were compared with those of phenolic fabric and quartz fabric reinforced (P/PR and Q/PR) composites. The patterns and microstructures of the ablated composite specimens were also studied, and the advantages of the hybrid reinforced composites under ablation conditions were interpreted. The phenolic fiber decomposed similarly to the manner in which the PR did. The mixture rule can be used to predict the mass loss rate of the P–Q/PR composites during the oxyacetylene flame test. After the oxyacetylene flame test, there was no crack or delamination can be observed in P–Q/PR composite specimens and the carbonaceous residue blocks which were produced by the phenolic fiber and the PR were attached well to the quartz fibers. The resistance to heat-flow erosion of the P–Q/PR composites had significantly improved and the mass loss of the P–Q/PR composites (24.6%) was much lower than those of the Q/PR composites (56.4%) and the P/PR composites (86.3%) in the exhaust plume ablative test with a small liquid motor. A vis-à-vis char layer of the P–Q/PR composites formed during this ablation.