不同预制体结构制备C/C-SiC复合材料的微观结构演变及力学性能

采用缝合结构与针刺结构碳纤维预制体,经化学气相渗透法(CVI)和反应熔渗法(RMI)制备出C/C-SiC复合材料,系统研究了两种结构预制体制得的C/C多孔体微观结构、孔隙特征及C/C-SiC复合材料微观结构和弯曲性能。结果表明:缝合结构C/C多孔体孔径呈双峰分布,孔隙多为纤维束间孔,针刺结构C/C多孔体孔径呈单峰分布,由于网胎的加入使得部分纤维束间孔转变为连通的小孔隙网络,经过模拟后者Z向绝对渗透率略大于前者,有利于后者后续RMI致密化过程(高密度,低开孔率,低残余金属);缝合结构C/C-SiC复合材料平均弯曲强度高于针刺结构C/C-SiC复合材料,二者都呈现“假塑性”断裂方式;针刺结构C/C-SiC复合材料密度更高,残余Si含量更低,但其纤维体积含量较低,长直纤维的完整性较差,使得复合材料承载性能较低。

SiZrCN纳米复相陶瓷的成分结构调控与吸波性能

以聚硅氮烷和四(二甲胺)锆为原料,利用单源先驱体法制备SiZrCN纳米复相陶瓷。研究先驱体的合成路径、聚合物-陶瓷转变过程及陶瓷高温结构演变规律。研究结果表明,通过对先驱体改性可精确调控陶瓷中的Zr含量,并提高陶瓷产率。1 100℃热解后的SiZrCN陶瓷为无定形,当热处理温度≥1 500℃时,形成以Si3N4为主相、纳米ZrCN颗粒和自由碳均匀分布于其中的纳米复相陶瓷。Zr的加入抑制了热处理过程中含氮相的碳热还原反应,显著提高了陶瓷的高温热稳定性,1 600℃热处理的SiZrCN陶瓷的质量损失率仅为SiCN陶瓷的1/3。通过改变Zr含量和微观结构对SiZrCN陶瓷的介电参数进行了调控,并获得了优异的吸波性能。其中,当15SiZrCN-1500陶瓷的厚度为1.8 mm时,最小反射损耗为-61.02 dB,有效吸收带宽可达4.56 GHz。纳米ZrCN和自由碳形成的异质界面极化和缺陷偶极子极化以及所构成的导电网络是SiZrCN陶瓷具有优异吸波性能的主要原因。

Er_(2)SiO_(5)纳米粉体的并流共沉淀法合成

以Er_(2)O_(3)和正硅酸乙酯(TEOS)为原料,采用并流共沉淀法合成了纳米Er_(2)SiO_(5)粉体。研究了前驱体Si/Er摩尔比、煅烧温度以及反应体系pH值对Er_(2)SiO_(5)物相组成和显微结构的影响,并探讨了Er_(2)SiO_(5)粉体的合成机理。结果表明:前驱体Er/Si摩尔比为20∶12,煅烧温度为1300℃时,Er_(2)SiO_(5)粉体由X2-Er_(2)SiO_(5)纯相组成,具有近球形形貌特征。低Er/Si摩尔比可降低Er_(2)SiO_(5)的结晶温度并促进X2-Er_(2)SiO_(5)的生成,反应体系pH值的升高则对[Si—O—Er]结构的生成具有一定的促进作用。Er_(2)SiO_(5)前驱体是以[Si—O—Er]网络结构形式存在的,煅烧过程中通过分解和结构重组逐步生成Er_(2)SiO_(5),Er_(2)O_(3)杂质相的生成是高Er/Si摩尔比前驱体[Si—O—Er]网络结构中的Er^(3+)在Er_(2)SiO_(5)结晶过程中的析出造成的。

炭/炭复合材料ZrC涂层的制备及显微组织结构

通过冷态输送ZrCl4粉末,利用低压化学气相沉积法在C/C复合材料表面制备ZrC涂层。采用X射线衍射和扫描电镜研究沉积温度和沉积位置对ZrC涂层物相成分和微观形貌的影响。结果表明：在1 400~1 600℃时,沉积涂层物相均为单一的ZrC。ZrC晶粒择优取向随沉积温度的升高而发生变化;在1 400和1 500℃时,ZrC晶粒择优取向面为（200）;1 600℃时,晶粒择优取向面转变为（220）和（200）,且择优不明显;随着沉积温度的进一步升高,涂层晶粒尺寸明显增大,涂层表面ZrC颗粒由球形逐渐转变为金字塔形多面体。在1 400~1 600℃沉积时,反应器的100~230mm沉积区间内可以得到成分单一、择优取向一致、表面形貌相同的ZrC涂层。

新型C/C-TaC复合材料的微观结构及其力学性能

采用化学气相渗透(CVI)法和热固性树脂浸渍-炭化法复合工艺制备含5%TaC的新型C/C-TaC复合材料,并对复合材料的微观结构和力学性能进行了研究。结果表明:C/C-TaC复合材料中TaC以涂层形式均匀致密地包覆在炭纤维周围,形成管状微观结构,大大提高C/C-TaC复合材料试样的平均强度和韧性。复合材料试样平均抗弯强度达到270 MPa,比C/C复合材料的提高近70%;最大断裂位移达到1.2 mm,比C/C复合材料的提高近140%,表现为良好的假塑性断裂。

化学气相沉积TaC涂层的微观形貌及晶粒择优生长

利用TaCl5-Ar-C3H6体系，采用X射线衍射技术和扫描电镜研究不同温度下化学气相沉积Tac涂层微观形貌及晶粒择优生长。结果表明：在800～1200℃时，随沉积温度升高，TaC颗粒从网球形逐渐转变为多角形以及金字塔形多面体，而其晶体择优取向依次从无明显择优取向向〈220〉和H〈200〉转变；利用牛长参数α和VAN DER DRIFT,MEAKIN的纳米级晶粒选择生长模型可较好地解释不同形貌的生长机制。当a=3时，薄膜会优先生长成〈200〉择优取向的金字塔品粒；当a=1．5时，则容易生长成〈220〉取向的多角形品粒。

固态输送ZrCl_4低压化学气相沉积制备ZrC涂层的特征

采用ZrCl4-CH4-H2-Ar反应体系、固态输送ZrCl4粉末低压化学气相沉积(CVD)制备ZrC涂层。研究温度对低压化学气相沉积ZrC涂层物相组成、晶体择优生长、涂层表面形貌、断面结构、涂层生长速度和沉积均匀性等方面的影响。结果表明:不同温度下沉积的涂层主要由ZrC和C相组成;随着温度的升高,ZrC晶粒(200)晶面择优生长增强,颗粒直径增大,表面致密性增加,沉积速率上升;涂层断面结构以柱状晶为主;随着离进料口距离的增加,涂层的沉积速率逐渐减小;1 500℃时,沉积系统的均匀性比1 450℃时的差。

C/C复合材料ZrB_2-SiC基陶瓷涂层的微观结构及氧化机理

为提高C/C复合材料在高温富氧环境中的抗氧化性能,采用两步刷涂+化学气相沉积法在C/C复合材料表面制备含Si_3N_4、MoSi_2、TaC等添加剂的ZrB_2-SiC基多层复合陶瓷涂层。利用XRD和SEM等分析测试手段研究涂层的物相组成和微观结构,并分析讨论涂层在900和1500℃的等温抗氧化机理。结果表明:利用两步刷涂+化学气相沉积法制备的ZrB_2-SiC基复合陶瓷涂层整体厚度约为200μm。Si3N4、MoSi_2可很好地促进ZrB_2-SiC基氧阻挡层的高温烧结,使涂层致密化,并提高涂层在900℃的抗氧化性能;与之相比,TaC则不能很好地发挥致密化作用,对涂层在900℃时抗氧化性能的提高有限。在900℃时,ZrB_2-SiC基陶瓷涂层的氧化过程主要受氧在涂层孔隙等缺陷中的扩散所控制,添加剂主要通过改变涂层的致密化程度来影响涂层的抗氧化性能。在1500℃氧化过程中,涂层抗氧化性能恶化,但致密的化学气相沉积SiC封填层的引入可显著改善涂层在1500℃时的抗氧化性能,涂层表面生成了完整的含有ZrO_2和ZrSiO_4等高熔点颗粒的SiO_2玻璃态氧化膜,为基体提供有效的氧化防护。

CVI-SiC/TaC改性C/C复合材料的力学性能及其断裂行为

以针刺碳纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透工艺对预制体纤维进行PyC/SiC/TaC的多层复合模式的涂层改性,然后采用化学气相渗透和热固性树脂浸渍-炭化进行增密,制备出新型C/C复合材料。对复合材料的微观结构和力学性能进行了研究。结果表明:包覆在碳纤维表面的PyC/SiC/TaC多层结构均匀致密、无裂纹,在C/C复合材料中形成空间管状网络结构;改性后C/C复合材料的抗弯强度和韧性均大大提高,平均抗弯强度达到522 MPa,断裂位移达到1.19 mm;复合材料弯曲断裂形式表现为脆性断裂,经过2000℃高温热处理以后,复合材料的抗弯强度下降,但最大断裂位移增大,弯曲断裂形式由脆性断裂转变为良好的假塑性断裂。

冷态输送ZrCl_4低压化学气相沉积ZrC涂层的制备

采用ZrCl4-CH4-H2-Ar反应体系,冷态输送ZrCl4粉末化学气相沉积(CVD)制备ZrC涂层。采用热力学计算并结合实验结果分析了冷态输送ZrCl4化学气相沉积ZrC涂层的特点,采用X射线衍射仪和扫描电镜分析了涂层的物相组成、表面形貌和组织结构。结果表明:冷态输送ZrCl4粉末大幅度降低了ZrC的化学气相沉积温度,且容易获得大面积、结构均匀的ZrC涂层。涂层表面由直径在20～80nm之间的颗粒组成,为无规则"田状"组织。涂层结构主要为柱状晶,沿(200)面优先生长。分析了这种新型"田状"ZrC涂层组织的形成机理以及ZrC涂层的生长机制。

Si-Mo-Zr反应熔渗改性C/C复合材料的微观结构与烧蚀性能

为了提高C/C复合材料的抗烧蚀能力,采用不同配比的Si-Mo-Zr混合粉末反应熔渗改性C/C复合材料。利用X射线衍射分析仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析改性C/C复合材料的物相组成和微观结构。利用氧乙炔焰烧蚀仪检测分析样品的烧蚀性能。结果表明:当混合粉末的成分配比为n(Si):n(Mo):n(Zr)=10:1:4时,样品熔渗效果最佳,密度和孔隙率分别为2.66g/cm^3和8.1%。熔渗效果较差的样品仅在靠近样品表面有SiC和ZrC陶瓷相共存的区域,样品内部仅含有少量SiC;熔渗较好的样品可以在样品内部观察到SiMoZrC固溶相以及环状ZrC相。熔渗效果较差的样品由于内部陶瓷相含量较少,其烧蚀性能随着烧蚀时间从300s提高到600s而急剧下降。

高性能针刺碳/碳复合材料的制备与性能

为获得高性能针刺碳/碳复合材料,拓展其应用领域,通过优化针刺工艺参数,设计并研制了不同结构参数的针刺预制体。采用沥青高压致密化工艺将针刺预制体制备成一系列针刺碳/碳复合材料,研究了针刺碳/碳复合材料的微观结构、力学性能和热物理性能。结果表明,针刺预制体的针刺深度、针刺密度以及短/长纤维配比等对碳/碳复合材料的力学性能和热物理性能影响显著。当针刺深度为12 mm、针刺密度为22针/cm^2、短/长纤维比例为1.0:4.8时,针刺碳/碳复合材料表现出优良的综合性能,拉伸、压缩、弯曲、面内剪切和层间剪切强度分别达到207、228、285、54和28 MPa。

Al-Si-C改性C/C复合材料的微结构特征与烧蚀行为

为了提高C/C复合材料的抗烧蚀性能,采用反应熔渗法制备Al-Si-C改性C/C复合材料,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱和电子探针分析等手段分析熔剂成分、熔渗温度和气氛等参数对复合材料微观结构的影响。利用氧-乙炔焰烧蚀仪研究Al-Si-C改性C/C复合材料的烧蚀性能、烧蚀行为及机理。结果表明,随着工艺参数不同,反应熔渗法可制备出三类典型的Al-Si-C改性C/C复合材料。在1 500℃,氩气气氛中反应熔渗2 h形成了Al+SiC均质改性C/C复合材料;随着熔渗温度的升高(1 600℃)和熔渗时间的延长(6 h),形成了Al_4SiC_4+SiC改性C/C复合材料;在1 600℃,真空气氛中反应熔渗6 h形成了SiC+Al梯度改性C/C复合材料(Al含量由内到外递减)。三类Al-Si-C改性C/C复合材料显示不同的烧蚀行为,其中,SiC+Al梯度改性C/C复合材料具有最优的抗烧蚀性能,在2 500℃下烧蚀60 s后,样品表面无明显的烧蚀坑,质量烧蚀率分别为-1.0×10^(-3)g/s和-1.2×10^(-3)g/s。

空间高稳定碳/碳蜂窝夹层结构制备及性能

针对空间高稳定结构在极端环境下的灵敏度和稳定性需求,提出一种新型高稳定、高承载的轻质碳/碳(C/C)蜂窝夹层结构方案。碳/碳蜂窝夹层结构由化学气相渗透(CVI)致密化获得的整体碳/碳蜂窝和面板经胶粘剂粘接集成,通过评价蜂窝、面板以及夹层结构的内部质量、力学性能及热物理性能,展示了碳/碳蜂窝夹层结构在承载和尺度稳定性方面的优势。研究结果表明,典型特征碳/碳蜂窝承载性能稳定,平压强度>10 MPa,L/W向剪切强度>4 MPa,典型特征碳/碳蜂窝夹层结构热膨胀系数低,满足空间环境条件下面内热膨胀系数绝对值低于1×10^-7/℃的高稳定设计需求。

温度对CVD制备Ti-Si-C涂层中Ti_3SiC_2形成规律的影响

采用TiCl4-CH3SiCl3-H2-Ar反应体系，低压化学气相共沉积（LPCVD）Ti-Si-C三元体系涂层。采用XRD、SEM、EDS和EPMA分析在1100~1250℃不同温度下制备的涂层物相组成和形貌结构。结果表明：1100℃时形成TiC涂层，无Ti3SiC2相；1150~1250℃时形成TiC与Ti3SiC2复合涂层。当沉积温度为1200℃时，Ti3SiC2晶粒沿×104？方向择优生长，而在1150℃和1250℃沉积时，择优取向不明显。1150℃时涂层为多孔细柱和颗粒堆积嵌合结构，当温度为1200~1250℃时，涂层分为两层，内层过渡层为柱状晶结构，主要成分为TiC；外层为TiC相与Ti3SiC2相复合的板条错堆状结构。

放电等离子烧结MoSi_2陶瓷的微观结构与力学性能

以微米级MoSi_2粉末为原料,利用放电等离子烧结技术制备致密度达99%的MoSi_2陶瓷材料。研究烧结温度对MoSi_2陶瓷的致密化、微观结构和力学性能的影响。结果表明:SPS烧结技术制备的MoSi_2陶瓷由MoSi_2、少量的Mo_5Si_3和SiO_2组成;随着烧结温度的升高,材料的致密化效果明显加强;当烧结温度为1600℃时,材料的综合性能最优,相对密度和抗弯强度达到98.9%和417 MPa。但当烧结温度达到1800℃时,致密度基本保持不变,MoSi_2晶粒长大明显,材料抗弯强度降低。

Al1.92Cr0.08O3-SiC-ZrC耐烧蚀复合涂层微结构与烧蚀行为

结合低压等离子喷涂和料浆法,在C/C-ZrC-SiC复合材料表面制备新型多元氧化物-碳化物复合陶瓷涂层,并通过掺杂过渡元素Cr来提升涂层整体热稳定性能。采用XRD和SEM等手段分析复合涂层的相组成和微观结构,并研究所制复合陶瓷涂层在2500℃氧乙炔烧蚀环境中的协同抗氧化烧蚀行为。结果显示,有Al1.92Cr0.08O3-SiC-ZrC复合涂层保护的样品烧蚀性能相比于无涂层的C/C-ZrC-SiC基体有明显提升,烧蚀120s后的质量烧蚀率和线烧蚀率分别下降了66%和76%。烧蚀后样品表面形成了独特稳定的复合多元氧化物防护结构,其高熔点ZrO2骨架,Al1.96Cr0.04O3-SiO2熔融相弥合其中的连续结构赋予了复合材料较好的抗烧蚀能力。

全长纤维针刺C/C-SiC复合材料的力学与热扩散性能

采用全长纤维针刺结构预制体,利用反应熔渗法制备了C/C-SiC复合材料,系统研究了复合材料的微观结构、弯曲性能和热扩散性能。结果表明,熔渗温度1 650-1 850℃条件下均可得到致密的C/C-SiC复合材料,提高熔渗温度可促进Si-C反应,降低残余Si含量。C/C-SiC复合材料的弯曲强度随熔渗温度升高而增大,且断裂模式表现出明显的假塑性,1 750℃制备的复合材料弯曲强度可达229±17 MPa。C/C-SiC复合材料面内方向热扩散系数明显高于层间方向,SiC含量的增加及非均质孔隙的存在均可促进复合材料的热扩散能力。

叠层缝合结构C/C-SiC复合材料微观结构与弯曲性能

为了满足高超音速飞行器热结构部件材料的需求,采用化学气相沉积法(CVD)和反应熔渗法(RMI)混合工艺制备了叠层缝合C/C-SiC复合材料,研究C/C多孔体密度和熔渗温度对C/C-SiC复合材料微观结构和弯曲性能的影响。结果表明:C/C多孔体孔径呈双峰分布,孔体积随C/C多孔体密度增加而降低。C/C-SiC复合材料由SiC、C及残余Si相组成。C/C-SiC复合材料弯曲强度随熔渗温度的升高而增加;1650℃制备的C/C-SiC复合材料弯曲强度随C/C多孔体密度升高先增加后略有减小,而1750℃制备C/C-SiC复合材料弯曲强度随C/C多孔体密度升高而升高。当C/C多孔体密度为1.55 g/cm^(3),熔渗温度为1750℃时,制备的C/C-SiC复合材料弯曲强度最高为253 MPa。在弯曲载荷作用下,C/C-SiC复合材料的位移−载荷曲线呈现“阶梯型”断裂行为。

短纤维增强C/C-SiC复合材料的微观结构与力学性能

综合原料的热物理性能分析和配比设计,实现了C/C复合材料载体孔隙体积的精细控制,采用热压-熔渗两步法在低温条件下制备了具有高致密、低残余Si含量特征的短碳纤维增强C/C-SiC复合材料。系统解析了C/C-SiC复合材料成型过程中的结构演变行为,研究了短纤维增强C/C-SiC复合材料的力学性能和失效机制。结果表明:多孔C/C复合材料载体孔隙的孔径呈双极分布特征,添加芳纶纤维可提高网络孔隙结构的连通性,具有显著的孔隙结构调控作用。SiC基体以网络骨架形态分布于C/C-SiC复合材料内部,与纤维束形成了强界面结合钉扎结构,高含量纤维协同作用下使C/C-SiC复合材料具有优异的综合力学性能,添加芳纶纤维可明显增加复合材料内部裂纹扩展路径,提高C/C-SiC复合材料的断裂韧性。碳纤维的面内各向同性分布及陶瓷相层间均匀分布对C/C-SiC复合材料承载、摩擦稳定性提升均具有积极作用。