成来飞 复合材料技术专家

作为教育部超高温结构复合材料创新团队带头人，请您谈谈超高温结构复合材料在航空制造领域的应用现状及发展前景。

前驱体转化陶瓷法制备Ti_(3)SiC_(2)陶瓷及其热稳定性研究

Ti_(3)SiC_(2)具有良好的高温稳定性,可作为改性材料来提高C/C复合材料的抗氧化性能,应用潜力巨大。本工作以钛粉和液态聚碳硅烷(Liquid Polycarbosilane,LPCS)作为原料,采用前驱体转化陶瓷(Polymer Derived Ceramics,PDC)法在1200、1300、1400、1500℃下制备了四种相含量的Ti_(3)SiC_(2)陶瓷,研究了烧结温度对其物相组成及形貌的影响,以及不同Ti_(3)SiC_(2)相含量对陶瓷材料的抗氧化和抗热震性能的影响。结果表明,在Ti:Si物质的量比为3:1.5,烧结温度为1300、1400、1500℃条件下,均有层状结构的Ti_(3)SiC_(2)生成。当烧结温度为1400℃时,陶瓷产物中Ti_(3)SiC_(2)质量分数达到92.10%,抗弯强度达172.68 MPa。在1300℃静态空气环境下氧化7 h,陶瓷氧化增重随Ti_(3)SiC_(2)相含量增大而逐渐降低,这是由于氧化过程中材料表面生成了以TiO_(2)为主相的保护膜,有效延缓了氧气向内部扩散。对试样进行1300℃空气热震和抗弯强度测试发现,随着热震次数的增加,所有材料的残余强度均有所下降;但随着Ti_(3)SiC_(2)相含量增大,试样的抗热震性能和残余强度均提高。Ti_(3)SiC_(2)相质量分数为92.10%的试样经过30次热震后失重30.66%,残余强度为120.18 MPa,这主要归因于层状结构的Ti_(3)SiC_(2)大幅增加了裂纹扩展路径及其良好的抗氧化性能。

大气等离子喷涂Si/Mullite+BSAS/Yb_(2)Si_(2)O_(7)环境障涂层的制备与水氧腐蚀行为

以固相烧结法制备的Yb_(2)Si_(2)O_(7)粉体作为原材料,采用大气等离子喷涂工艺在SiC基体表面制备Si/Mullite+BSAS/Yb_(2)Si_(2)O_(7)三层结构环境障涂层。利用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射分析仪、纳米压痕试验机等设备研究涂层的显微组织、相结构和力学性能。结果表明:粉体材料由83%Yb_(2)Si_(2)O_(7)相和17%Yb_(2)SiO_(5)相(质量分数)组成,等离子喷涂获得的Yb_(2)Si_(2)O_(7)层孔隙率为(6.61±0.65)%,涂层结合强度达(22.82±3.55)MPa,涂层断裂韧度达(1.98±0.12)MPa·m1/2。此外,涂层1350℃条件下水氧耦合腐蚀测试结果显示Yb_(2)Si_(2)O_(7)单斜相含量先降低后提高,硅黏结层高温氧化形成的热生长氧化物SiO_(2)与Mullite+BSAS界面相容,未发现Mullite+BSAS与Yb_(2)Si_(2)O_(7)层互扩散现象,硅层的损耗是涂层使用寿命的主要限制环节。

化学气相渗透工艺制备陶瓷基复合材料

综述了采用化学气相渗透(chemical vaporinfiltration,CVI)工艺制备陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMCs)的模拟与可视化、柔性与鲁棒性以及强韧性控制与设计等研究的进展和趋势.陶瓷基复合材料气相制造过程模拟涉及气体传输、反应热力学与动力学、预制体的孔隙结构建模等理论,是一个典型的多尺度和多物理场问题.运用量子化学、化学热力学、微观动力学、有限元、水平集和人工智能等方法,实现了复合材料致密化过程的模拟和成分分析,更加精准地反映了气体在多孔预制体中的各向异性传输和沉积过程,为工艺优化提供更准确的控制参数.CVI工艺制备陶瓷基复合材料具有柔性与鲁棒性等工艺特性,包括应用广泛性,可控制、可调整与可设计性,可连接与可组装性,可纠错、可修复与可兼容性等诸多特性,适用于陶瓷基复合材料微结构的调控,是陶瓷基复合材料领域最先进的基础制造方法.陶瓷基复合材料的强韧性一直是其发展中的核心问题,增强体纤维、基体及二者界面之间的模量匹配,以及热残余应力和纤维基体体积分数等参数的设计与控制是这个核心问题的关键.通过合理控制与设计这些参数,可以实现陶瓷基复合材料的强韧化控制与设计,从而适应不同使用环境条件的需求.

碳-碳复合材料复合防氧化涂层材料及其制备方法

对以过渡层、阻挡层和封填层组成的复合涂层的材料及其制备方法进行了探讨。确定了液态渗硅制备ＳｉＣ阻档层，常压变温ＣＶＤ制备ＳｉＣ阻挡层和液相法制备ＳｉＷ封填层的复合涂层制备工艺。研究了制备工艺参数对复合涂层防氧化性能的影响。

液相法制备碳碳复合材料Si-W涂层表面氧化层的结构

研究了一种液相法及其它方法制备的碳碳复合材料多层防氧化涂层，并用ＸＲＤ，ＳＥＭ，Ｒａｍａｎ光谱和ＥＭＰＡ研究了液相法制备的ＳｉＷ涂层表面氧化后的结构。研究结果表明：氧化后涂层表面生成石英玻璃，且由于Ｗ的高价氧化物进入玻璃的分子网络结构，使其能长时间保持稳定而不析晶。Ｗ离子来自液态Ｓｉ中溶解的Ｗ，扩散使表面Ｗ离子比氧化层内部低很多，氧化后涂层表面的断键程度很高。

3DC/SiC复合材料在复杂环境试验中性能演变的两重性

用减压化学气相浸渗法(LPCVI)制备2组3DC/SiC复合材料,其中一组具有不同厚度的PyC界面层,另一组PyC界面层厚度一定,但经过热处理。对C/SiC复合材料在复杂环境中性能演变的两重性,即确定性和随机性进行了研究。结果表明,残余强度及其波动性对评价材料的环境适应性和可靠性是必需的。界面层和涂层是对氧化环境最敏感的微结构控制单元。以敏感度排序,3种环境参数依次是温度、气氛和应力。气氛参数的排序是氧气、水和盐,应力参数的排序是疲劳/蠕变,蠕变和疲劳。应力通过增加涂层裂纹及宽度从而加速复合材料的性能演变。氧化物薄膜有利于涂层裂纹封填,水能促进这种封填,然而疲劳/蠕变应力会使涂层裂纹封填失效。因此包括有氧气、水、疲劳和蠕变的环境是所有环境中最恶劣的。为了使复合材料具有自适应性,PyC的厚度应为最优,以提高热处理的效果;需保持适中的涂层氧化速率,以提高近表面抗氧化性。而适中的氧化速率是由温度和氧化气体分压来控制的。

液相法制备碳－碳Si－Mo防氧化涂层

用液相法制备出Ｓｉ－Ｍｏ涂层防氧化Ｃ／Ｃ，并对Ｓｉ－Ｍｏ涂层的防氧化性能进行了测试。结果表明，Ｓｔ－Ｍｏ是一种性能优良的Ｃ／Ｃ防氧化涂层，可以在１６５０℃下工作１０小时以上。同时对氧化前后涂层的裂纹形貌进行了分析。

自愈合C/SiC陶瓷基复合材料的制备工艺与性能

为了提高CMC-SiC高温抗氧化性和长时间服役的寿命,必须对CMC-SiC进行自愈合改性,使裂纹和孔洞处能够原位自生成玻璃相,以达到在服役过程中主动封填的效果,阻止氧化性介质向内扩散,降低PyC和C纤维的氧化损伤。

高温长寿命C／C防氧化复合梯度涂层的研究

提出了一种高温长寿命Ｃ／Ｃ防氧化复合梯度涂层，并指出了制备这一复合梯度涂层的工艺途径，同时实验研究了复合涂层中各单一涂层的防氧化作用及作用效果。实验结果表明，按照这种涂层和工艺制备的Ｃ／Ｃ防氧化涂层可以在１６００℃工作１６８个小时以上。

液相法制备C/C防氧化涂层的液相铺展研究

液相铺展是液相法制备 C/C防氧化涂层的前提和基础。研究结果表明 ,采用快速升温和梯度涂覆工艺和在液相涂层材料中加入小颗粒的固相质点能有效地促进液相涂层材料在C/C基体上的铺展过程 。

一种碳－碳复合材料长寿命防氧化涂层的失效机制

用液相法联合ＣＶＤ法和硅化法制备了一种碳－碳复合材料复合梯度涂层，在此基础上对这种涂层在氧化过程中的失效机制进行了研究．结果表明：氧化层与液相层界面反应生成的气相产物是涂层失效的根本原因界面上气泡的不均匀形核、长大和破裂导致涂层表面出现孔洞．孔洞处气泡优先形核。

碳—碳防氧化涂层研究发展概况

一、引言碳-碳复合材料(C/C)的高强度、高比模量、高温下低蠕变性能使其可以在高达2000℃甚至更高的温度下作为热结构材料,但这种优良的性能只有在与氧隔离的情况下才能得到保持,因此防氧化量是其作为新一代热结构材料所必须解决的关键课题。C/C防氧化的第一次尝试是在70年代初期,目的是要解决航天飞机防热瓦的高温氧化问题。

液相法制备联碳－碳复合材料Si－W防氧化涂层中的晶粒长大

研究了液相法制备Ｃ／Ｃ复合材料的Ｓｉ－Ｗ涂层及其在氧化试验中晶粒长大的过程实验结果表明：在涂层制备过程中，有液态Ｓｉ参与的Ｓｉ和Ｗ的液－固反应在生成ＷＳｉ２的同时，在被－固界面张力的作用下，ＷＳｉ２晶粒迅速靠近；在涂层氧化过程中，在ＷＳｉ２晶体界面能和液－固界面张力的联合作用下，ＷＳｉ２晶粒通过溶解－沉淀的方式发生异常长大．进一步的观察表明，涂层中的晶粒长大能提高涂层的防氧化性能．

高温合金过滤中的界面问题研究

过滤器吸附固态夹杂须满足两个条件:一是控制熔体的流动状态,使固态夹杂与过滤器相接触;二是熔体、过滤器及固态夹杂之间满足一定的界面能条件,使固态夹杂被过滤器吸附捕获,然后在高温下依靠热能将固态夹杂与过滤器烧结在一起。因此过滤器去除固态夹杂存在着三种机制;机械拦截机制、流体动力学机制及热力学机制。

座滴法测定玻璃体粘度的新途径

本文提出了用尖角形玻璃体试样的相对高度随时间的最大变化率h_m确定玻璃体粘度的方法。理论分析和实验结果都表明:h_m与玻璃体的粘度η之间存在着确定的函数关系。用h_m确定玻璃体粘度的方法不仅具有试样体积小、尺寸精度要求较低、一定的粘度测试范围、较高的测试精度等优点,而且可在确定粘度的同时表明其粘弹性延迟作用。

碳/碳化硅复合材料摩擦磨损性能分析

采用化学气相渗透法制备了碳纤维增强碳化硅(C/C SiC)陶瓷基复合材料,得到不同密度和组分含量的C/C SiC刹车盘试样。对C/C SiC复合材料进行了摩擦磨损性能测试,平均摩擦系数达到 0 23,摩擦稳定性达到0 43,线性磨损率为 9 3μm/次·面,质量磨损率为 2 6mg/次·面。当C/C SiC复合材料的密度增大 (1 6g·cm-3→2 2g·cm-3 ),碳含量增大(35%→55% ),摩擦系数和稳定性提高(约 70% ),且摩擦系数随制动次数增加的波动幅度减小;SiC含量升高则反之。C/C SiC复合材料经过多次刹停测试,摩擦系数对制动次数不敏感,表现出良好的摩擦稳定性。经过连续刹车试验,摩擦系数不随表面的起始和最终温度升高而衰退,材料尚无热衰竭趋势。对C/C SiC刹车盘试样的磨损表面形貌及缺陷进行了观察,发现表面磨损质量在航标允许范围内。

高温透波材料研究进展

对高马赫数飞行器用高温透波材料的性能要求进行了评述,分析了不同体系高温透波材料的增强模式、力学性能以及电气性能。在此基础上,提出了高温透波材料的发展方向。