超高温陶瓷基复合材料的改性和烧蚀行为

高超音速飞行器热防护系统需要超高温陶瓷基复合材料,基于C/SiC复合材料的涂层和基体耐高温、抗烧蚀改性是制备超高温陶瓷基复合材料的有效方法。简述了C/SiC复合材料的制备方法和烧蚀性能,并在此基础上综述了超高温陶瓷单一组元和多元复合组元对C/SiC复合材料涂层及基体改性的研究进展及其烧蚀行为,指出难熔金属硼化物和碳化物,如ZrB2、ZrC、TaC、HfC等单一或复合组元,可有效提高C/SiC复合材料高温抗氧化和抗烧蚀性能。针对未来往返飞行器对材料重复烧蚀的需求,初步阐述了基于C/SiC复合材料的超高温陶瓷基复合材料改性方法,并给出了在氧乙炔焰下重复烧蚀结果。

2D-C/SiC复合材料在空气中的高温压缩强度研究

研究了二维碳纤维增强碳化硅基复合材料(2D-C/SiC)在空气介质中的高温压缩强度。材料采用1K T300碳纤维平纹布经叠层和缝合制成预制体为增强体,经等温化学气相浸渗制备而成。试样表面用化学气相沉积工艺沉积SiC涂层。测试方向为垂直于炭布叠层方向,测试温度为室温,700℃,1100℃和1300℃。使用扫描电子显微镜观察了材料的断口。结果表明:室温～700℃,2D-C/SiC的压缩强度随温度升高逐渐增大,温度高于700℃后,材料的压缩强度缓慢降低。导致2D-C/SiC的压缩强度随温度变化的主要原因为纤维和基体热膨胀系数不同引起的残余应力随温度升高逐渐变小和高温下材料的氧化损伤。

化学气相浸渗2D C_f/(SiC-C)复合材料的微观结构与强韧性

采用等温等压化学气相浸渗法(ICVI)制备了二维碳纤维增韧碳化硅-碳二元基复合材料(2DCf/(SiC-C)).利用扫描电镜(SEM)和背散射电子成像(BSE)研究了其基体的微观结构,并与二维碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(2DCf/SiC)比较了室温力学性能和断口形貌.结果表明:2D Cf/(SiC-C)复合材料的基体是由SiC与热解碳(PyC)组成的多层结构,PyC基体层分布均匀而连续,且与SiC基体层结合紧密.纤维束内部PyC基体层较厚的2D Cf/(SiC-C)复合材料具有较高的强韧性,其拉伸强度、断裂应变、断裂韧性和断裂功分别比2D Cf/SiC复合材料的提高了3%、142%、22%和58%.SiC与PyC组成的多层基体使2D Cf/(SiC-C)复合材料的纤维在拔出过程中发生了两次集中拔出,且第一次集中拔出的纤维对复合材料的强韧性起主要作用.

超高温材料的研究现状与展望

超高温材料是航天飞行器长时飞行、大气层再入飞行和跨大气层飞行不可或缺的关键材料,其直接影响了航天飞行器的研制进程并对飞行试验的成败起到了至关重要的作用。综述了C/C复合材料、陶瓷基复合材料、碳化物超高温陶瓷、硼化物超高温陶瓷及氮化物超高温陶瓷等超高温材料近年来的最新研究成果,重点评述了C/C复合材料的组织形成机理、疲劳特性、基体改性及抗氧化行为,Cf/Si C及Si Cf/Si C陶瓷基复合材料和超高温陶瓷在制备工艺、力学性能、抗氧化和抗烧蚀等方面的国内外研究现状,探讨了常用几种超高温材料的优缺点并分析了其研究重点,提出了超高温材料当前研究中存在的主要问题,指出了超高温材料未来的研究目标和发展方向。

2.5D-C/C复合材料的高温层间剪切强度

采用双槽口压缩法(double-notched compression,DNC)研究两种2.5D-C/C复合材料在293K、973K、1173K和1373K的层间剪切性能。结果表明,DNC法可以获得准确的层间剪切强度,正交长纤维网胎穿刺2.5D-C/C复合材料室温层间剪切强度为14MPa,在293K至1373K温度范围内变化不大。而碳布网胎穿刺2.5D-C/C复合材料的室温层间剪切强度为32MPa,在973K至1373K的层间剪切强度比室温高。断口分析表明2.5D-C/C剪切失效发生在纤维/基体界面和基体内部。

国产三代2.5D SiC_(f)/SiC复合材料的界面力学性能

连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_(f)/SiC)是下一代航空发动机的关键结构材料,其界面性能是决定材料力学性能的重要因素之一。为此,本研究表征了国产三代2.5D SiC_(f)/SiC的界面性能,并探究其与材料拉伸性能的关系。利用拉伸加/卸载过程中的迟滞特性定量分析了2.5D SiC_(f)/SiC中各组元残余应力和界面滑动应力(IFSS),根据断口拔出纤维的断裂镜面半径得到了纤维就位强度(σ_(fu))的统计分布,通过纤维推入法得到界面剪切强度(ISS)和界面脱黏能(G_(i))。结果表明:利用宏观结合细观的方法能够较全面地描述SiC_(f)/SiC从初始裂纹萌生到最终脱黏不同阶段的界面力学性能,2.5D SiC_(f)/SiC的IFSS、ISS和Gi分别为56 MPa、(28±5)MPa和(2.7±0.6)J/m2。ISS和Gi较低,表明界面结合较弱,在剪应力作用下易产生裂纹,而IFSS较大,表明界面脱黏后纤维与基体间相对滑动较为困难,阻碍了纤维拔出,不利于发挥纤维的增强作用。根据获得的界面性能和经典ACK模型,较好地预测出比例极限应力,并结合σ_(fu)预测了2.5D SiC_(f)/SiC的拉伸强度。拉伸强度预测值高于实验值,这与界面处径向残余压应力以及纤维承受的残余拉应力有关。

陶瓷基复合材料界面微区力学行为的研究进展

作为热结构材料,陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC)在航空航天领域应用潜力巨大。连续纤维的引入解决了陶瓷脆性大的问题,而纤维与基体间微小区域——界面层的设计是保证CMC具有高韧性的关键。一直以来相关研究主要集中于界面层与CMC宏观力学性能之间的关系,受限于表征难以深入研究界面层微区力学行为的困难。随着微纳力学测试与聚焦离子束(focused ion beam,FIB)技术的发展,近些年来对于CMC界面层结合强度以及其失效行为的表征逐渐增多。在此基础上,本文综述CMC中界面层的作用以及界面剪切强度的影响因素与调控机制,同时汇总当下通过直接或间接手段测试界面剪切强度的方法,重点总结微纳力学手段下纤维push-out/push-in以及微柱压缩等方法的适用条件以及差异,报道这些方法在界面区失效机制研究方面的进展,并指明尚存在的一些问题。其中,纤维pushout/push-in可以反映基体应力作用对界面剪切强度的影响,但测试结果可能受到外部因素的影响;而微柱压缩测试则更多地反映界面层本征特性,无法反映基体应力对界面剪切强度的影响,也无法反映纤维拔出过程。最后展望未来的研究方向:进一步拓展界面微区力学行为的表征方法,同时确定微区力学与宏观力学性能间的影响机制并建立模型,最终实现CMC的界面层优化。

碳化硅陶瓷基复合材料的自愈合及结构吸波一体化研究进展

为满足高推重比航空发动机在长时热力氧化环境下的使用需求和航空发动机关键热结构部件的隐身需求,碳化硅陶瓷基复合材料正朝着自愈合抗氧化、兼具承载和吸波性能的结构吸波一体化发展。本文分别介绍了碳化硅陶瓷基复合材料在强韧化、自愈合抗氧化、电磁波吸收三方面的设计原则,综述了在这三方面的研究现状。一种材料同时具有高强度高韧性、自愈合抗氧化和吸收电磁波三方面的性质将是结构功能一体化CMC-SiC未来发展的大趋势。

Cansas-ⅡSiC_(f)/SiC复合材料的高温拉伸蠕变行为

连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_(f)/SiC)是发展先进航空发动机的关键材料,航空发动机长时服役要求材料具有优异的高温蠕变性能。本工作研究了平纹编织Cansas-Ⅱ碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_(f)/SiC)在空气中的高温蠕变行为,蠕变温度为1200~1400℃,应力水平为80~140 MPa。利用扫描电子显微镜(SEM)观察了2D-SiC_(f)/SiC复合材料的微观组织和断口形貌,使用能谱分析仪(EDS)进行了成分分析。结果表明:当蠕变应力低于比例极限应力(σPLS)时,2D-SiC_(f)/SiC的蠕变断裂时间超过500 h,稳态蠕变速率为1×10^(–10)~5×10^(–10)/s,蠕变行为由基体和纤维共同控制。当蠕变应力高于σPLS时,复合材料的基体、纤维和界面均发生氧化,蠕变断裂时间显著降低,稳态蠕变速率提高一个数量级,蠕变行为主要由纤维控制。

整体毡碳/碳复合材料的高温剪切性能研究

运用双槽口剪切试验方法测试了碳纤维增强碳基复合材料(C/C)在室温、700℃、1000℃、1400℃下的剪切强度,并用扫描电子显微镜(SEM)观察了材料的原始组织形貌和断口微观形貌。结果表明:材料的剪切强度在一定范围内随温度的升高而增加,材料Z向的剪切强度优于XY向。通过SEM观察分析可知,材料XY向和Z向纤维的含量明显不同;室温下,C/C复合材料的破坏形式有纤维拔出及断裂,而高温下,失效形式主要为纤维的拔出、纤维/基体界面脱粘等。

C/C复合材料在原子氧辐照下的结构性能演变

通过分析失重率、显微形貌变化讨论了原子氧辐照对C/C复合材料以及SiC基体改性C/C复合材料(C/C-SiC)的损伤机制;并通过热膨胀系数(CTE)、热扩散率(TD)以及弯曲强度等性能的变化,进一步讨论了原子氧辐照损伤对材料热物理及力学性能影响。结果表明,C/C复合材料受原子氧辐照损伤是物理化学综合作用,属于冲击诱发-增强表面化学刻蚀;SiC组元表现出良好的抗原子氧侵蚀性能,阻碍了原子氧向材料内部侵蚀,但是SiC组元在更长时间辐照后出现机械破损;C/C复合材料在原子氧辐照下失重率呈线性增加,而C/C-SiC复合材料失重率小于C/C复合材料且增长幅度越来越小;C/C复合材料和C/C-SiC复合材料的整体结构性能在辐照损伤后发生了一定变化。

反应熔体渗透法制备C/C-SiC复合材料的微观结构及抗氧化性能

采用反应熔渗法(RMI)制备了C/C-Si C复合材料,对比研究了不同密度C/C预制体所制备C/C-Si C复合材料在1 500℃静态空气环境中抗氧化性能和1 500℃室温抗热震性能,借助X射线衍射分析仪(XRD)与扫描电子显微镜(SEM)对C/C-Si C复合材料的相组成及微观形貌进行了分析。结果表明,密度为1.0 g/cm^3的C/C复合材料孔径分布在10~100μm范围,有利于液相Si的渗入,进而可获得高致密度的C/C-Si C复合材料;而密度为1.7 g/cm^3的C/C复合材料因孔径太小(<10μm),不利于Si熔体的渗入,仅能在C/C复合材料表面形成Si C涂层。由于C/C复合材料与Si C的热膨胀系数不同,在氧化和热震试验过程易造成Si C涂层开裂,致使用密度为1.7 g/cm^3的C/C预制体制备的C/C-Si C复合材料抗氧化与抗热震性能下降。而密度为1.0 g/cm^3的C/C预制体制备的复合材料内部致密的Si C基体与低密度C/C复合材料形成镶嵌界面,有效缓解热膨胀系数不匹配而造成的缺陷,从而具有优异的抗氧化和抗热震性能。

PIP-SiC基体改性C/SiC复合材料的微观结构与强韧性

采用先驱体浸渍裂解(PIP)和化学气相浸渗(CVI)相结合的方法对纤维束复合材料C/SiC进行基体改性。观察PIP制备的SiC基体(PIP-SiC)的微观结构以及改性前后复合材料的断口形貌,同时测试改性前后复合材料的拉伸性能。结果表明:PIP-SiC基体改性改善了C/SiC中纤维与基体之间的模量匹配,并且有效地改善了复合材料的强韧性以及强韧性的稳定性。改性C/SiC的拉伸强度比未改性C/SiC的略有升高,其Weibull模数、伸长率和断裂功分别比未改性C/SiC的提高22%、28%和20%;同时,其拉伸强度、伸长率和断裂功的变异系数(CV)分别比未改性C/SiC的降低15%、12%和5%。

C/C复合材料与LAS陶瓷连接的显微结构与性能

采用Y2O3-Al2O3-SiO2-TiO2(YAST)玻璃作为中间层,对SiC-MoSi2表面改性的C/C复合材料与Li2CO3-Al2O3-SiO2(LAS)陶瓷进行热压连接,所施压力为20MPa,保温时间为30min,连接温度分别为1150℃,1200℃,1250℃,1300℃。利用SEM,EDS和BEI(背散射电子像)对SiC-MoSi2涂层,连接界面的形貌和断口进行了分析,研究结果表明,SiC-MoSi2涂层与基体结合紧密,Si、C元素在界面处呈梯度状分布,形成厚度约为15μm的过渡层。YAST玻璃与基体润湿良好,接头的剪切强度可达26.21MPa。

国内C/C复合材料研究进展

碳/碳(C/C)复合材料是可在高于1650℃条件下应用的少数候选材料之一,是高技术领域重点研究材料。随着现代科技的发展,其制造效率不断提升,促进了C/C复合材料技术向更多应用领域的转移与辐射,使其成为新一代超高温材料的热点。本文介绍了近年来我国C/C复合材料在制备方法、结构、性能、抗氧化烧蚀及其产业化等方面的研究进展,指出了目前C/C复合材料发展所面临的主要任务。

带有SiC涂层的C／C复合材料的氧化行为

采用包埋法在C／C复合材料表面制备了SiC高温防氧化涂层。利用SEM和XRD等方法对涂层的微观形貌和晶相组成进行了观察与分析，并对带涂层试样在室温-1500℃范围内的氧化行为进行了研究。结果表明，涂层主要由β—SiC和少量的游离si组成，涂层表面有裂纹存在，涂层与C／C复合材料基体结合良好，呈现犬牙状结合。在室温-1500℃之间，带SiC涂层C／C复合材料的氧化行为可分为4个阶段，涂层在高温区具有较好的防氧化性能。

PyC层对SiC纤维束及MiniSiC/SiC复合材料拉伸性能和强度分布的影响

采用等温等压化学气相浸渗法(ICVI),对原始的SiC纤维束和沉积有PyC层的SiC纤维束浸渗SiC基体,制备了纤维束复合材料SiC/SiC(Mini SiC/SiC)。分析了SiC纤维束和Mini SiC/SiC复合材料的拉伸性能,同时利用两参数Weibull分布研究了强度分布。结果表明,PyC层具有修复纤维表面缺陷的作用,SiC纤维束沉积PyC层后,纤维表面光滑而致密,表面缺陷减少,其拉伸强度、延伸率和Weibull模数分别比原始SiC纤维束提高了25%、12%和288%;且由其增强复合材料的拉伸强度、延伸率和Weibull模数分别比由原始SiC纤维束增强复合材料提高了103%、83%和340%。PyC界面层对SiC纤维表面缺陷的修复作用和对SiC纤维的保护作用以及降低复合材料裂纹敏感性的作用提高了Mini SiC/SiC复合材料的拉伸性能和Weibull模数。

三维针刺C/SiC复合材料无纬布纤维方向对材料力学性能的影响

通过化学气相渗透法结合反应熔体浸渗法制备了三维针刺C/SiC复合材料,采用扫描电子显微镜观察材料的显微结构,并研究了无纬布纤维方向对材料力学性能的影响。结果表明,三维针刺C/SiC复合材料由0°无纬布层、短纤维胎网层、90°无纬布层以及针刺纤维束组成,无纬布层纤维方向对材料性能有显著影响。试样的拉伸强度和弯曲强度随着无纬布纤维方向与试样长度方向的夹角θ(0～45°)值的增大而减小,面内剪切强度和冲击韧性随θ角的增大而增大。

浆料浸渍结合反应熔渗法制备2D C/SiC-Zr B_2复合材料

利用XRD,SEM,EDS研究浆料浸渍结合反应熔渗法制备2D C/SiC-ZrB2复合材料的组成与结构,并测定了复合材料的弯曲强度。结果表明:采用单向加压依次渗入ZrB2微粉和酚醛树脂,能很好地将ZrB2微粉和树脂渗入到纤维束间,但熔融Si难以渗入到试样内部,复合材料的开气孔率和室温弯曲强度分别为18.3%和110MPa。采用ZrB2浆料真空浸渍,沉积碳基体后进行熔融渗Si,复合材料的开气孔率和室温弯曲强度分别为5.5%和230MPa。

C/C-SiC复合材料的制备及其层间剪切强度分析

采用先驱体浸渍裂解结合液硅渗透的方法制备C/C-SiC复合材料。通过X射线衍射和扫描电镜分析了材料的成分和微结构,采用压缩双切口试样法分别在室温和1600℃下测试其层间剪切强度,分析了微观剪切破坏机理。结果表明:碳纤维表面的热解碳(PyC)与液硅反应生成一层SiC,保护纤维不受残余Si的损伤。树脂碳和液硅反应生成的SiC填充了多孔C/C的孔隙。材料的高温层间剪切强度是室温下的2倍左右。室温下基体存在残余热应力,界面结合强度低,材料属于脆性断裂,高温下基体残余热应力得到释放,界面结合强度增大,基体裂纹部分闭合,该复合材料可承受更大的剪切应力。