浆料浸渍辅助PIP工艺制备C/HfC-SiC复合材料的微观结构及性能研究

针对高速飞行器对于防热/承载一体化超高温陶瓷基复合材料的迫切需求,以及现有反应型HfC先驱体存在的成本高、效率低和致密效果差等不足,本研究将HfC亚微米粉体配制成稳定的陶瓷浆料,利用浆料加压浸渍辅助先驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备了HfC基体均匀分布的C/HfC-SiC复合材料,探讨了HfC含量对于复合材料微观结构、力学与烧蚀性能的影响。结果表明,当HfC实际体积分数为13.1%~20.3%时,复合材料密度为2.20~2.58 g·cm^(-3),开孔率约为5%。通过单层碳布加压浸渍陶瓷浆料,HfC颗粒能够分散到纤维束内部,且在复合材料中分布比较均匀。提高HfC含量会降低复合材料纤维含量,其力学性能也呈现出降低趋势。当HfC体积分数为20.3%时,复合材料的密度、拉伸强度和断裂韧性分别为2.58 g·cm^(-3)、147 MPa和9.3 MPa·m^(1/2);经氧乙炔焰烧蚀60 s后,复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.0062 mm/s和0.005 g/s,烧蚀过程中形成的熔融相Hf_(x)Si_(y)O_(z)能覆盖在材料表面,起到良好的保护作用。

SiC纳米线对大气等离子喷涂硅涂层性能的影响

为提升C/SiC复合材料表面Si涂层的韧性及其与C/SiC复合材料的结合强度,首先以10 mm×10 mm×10 mm的C/SiC复合材料作为基体,在基体表面生成约20μm厚的SiC纳米线(SiCnws)多孔层;再用大气等离子体喷涂法分别将生长SiCnws的基体和未生长SiCnws的基体喷涂约30、60、90μm厚的Si涂层。研究SiCnws对涂层试样的结合强度和抗氧化性的影响,并借助XRD、SEM、TEM和EDS对所制备的SiCnws和SiCnws/Si涂层进行物相组成、显微结构的分析。结果表明:1)制备的SiCnws形状平直,表面光滑,取向随机,直径为100~200 nm,是沿[111]晶向择优生长的β-SiC;2)SiCnws引入到Si涂层后,SiCnws/Si涂层试样的结合强度均比相应的Si涂层试样的高,说明SiCnws增强了Si涂层与C/SiC复合材料的结合;3)从室温至1400℃经历12次热震循环后,SiCnws/Si涂层试样的质量损失率比相应Si涂层试样的低20.7%~37.2%,说明SiCnws能有效缓解热应力,抑制裂纹的形成和扩展,降低裂纹尺寸和数量,提高涂层的抗氧化性。

喷涂-烧结法制备SiC涂层及抗冲蚀性能的研究

为了提高低密度C/C复合材料的抗冲蚀性能,使用喷涂-烧结法在其表面制备了均匀完整的SiC涂层,研究了反应原材料中蔗糖、葡萄糖、活性炭、磷粉四种碳源对SiC涂层的物相组成、微观形貌以及抗冲蚀性能的影响。结果表明:碳源种类对涂层中的物相组成产生影响,蔗糖和葡萄糖作为碳源时涂层均以单一的SiC物相存在,在10次冲蚀性能测试后涂层仍完整覆盖基体表面,冲蚀损失率分别为1.288%和1.144%,可能是由于残碳现象的改善以及大体积SiC颗粒的生成使冲蚀粒子发生了回弹作用,导致抗冲蚀性能提升。

FRACTURE RESISTANCE OF 3D-C/SiC COMPOSITES AT 1300℃

Based on the energy conservation, the elastic energy linked to the compliance change, non-elastic energy dissipated by irreversible deformation and the resistance for crack propagation were quantitatively characterized by evaluation the load/load point displacement curves tested by three points bend experiment with single notch beam at 1300℃. The cracks length was determined by compliance calibration curves. It is shown by experimental results that the compliance of 3D-C/SiC composites changes with the cracks can be described by third order polynomial. The variation of crack advancing resistance with non-dimensional equivalent crack length presents a convex curve. The crack advancing resistance increases firstly and then decreases with the non-dimensional equivalent crack length, finally is in comparatively low level. The maximum values of crack advancing resistance are 269.73kJ/m2 for non-dimensional equivalent crack length of 0.318 and original notch length of 0.35mm, and 138.65kJ/m2 for non-dimensional equivalent crack length of 0.381 and original notch length of 2.06mm, respectively.

抗氧化剂对Al_(2)O_(3)-SiC-C铁沟浇注料性能的影响

在Al_(2)O_(3)-SiC-C铁沟浇注料抗氧化行为研究的基础上,对比研究了碳化硼、单质硅的添加及其二者复合对浇注料显微结构与性能的影响。研究结果表明:随着碳化硼加入量的增加,浇注料的抗氧化性和致密性得到改善,常温和高温力学性能、抗熔渣侵蚀和渗透能力显著提高;但是,碳化硼加入量过高可导致含硼低黏度液相的生成量增加,并降低浇注料的抗熔渣侵蚀性能。单质硅的添加及不同粒径硅粉的复合,有利于浇注料致密性和抗氧化能力的提高;控制小粒径单质硅的加入量,同时降低低熔点复合硅酸盐液相的生成量,有利于保持浇注料优良的抗氧化性、力学性能和抗熔渣侵蚀性能。

C/C多孔体的高温热处理对C/C-SiC复合材料摩擦磨损行为的影响

低密度C/C多孔体的结构与性能调控是制备具有优异摩擦磨损性能的C/C-SiC复合材料的关键。本研究采用化学气相渗积法制备了C/C多孔体,并对其进行2100℃高温热处理,再通过反应熔渗法制备了C/C-SiC复合材料,研究了C/C多孔体高温热处理对C/C-SiC复合材料微观结构、导热性能和摩擦磨损性能的影响。结果表明,经2100℃热处理的C/C多孔体孔隙率和石墨化程度增加,用其制备的C/C-SiC复合材料比C/C多孔体未经热处理的密度更大(2.22 g/cm^(3)),孔隙率由5.1%降低至3.4%, SiC陶瓷相含量比热处理前提高11.9%。石墨化程度越高,声子的平均自由程越大,因此其室温的导热率提升到3.1倍, 1200℃导热率提升到1.2倍。经过热处理的热解炭更软,摩擦面易形成连续且稳定的摩擦膜,因此摩擦系数更稳定,并且在测试载荷为3、6和9 N下磨损率均显著降低,下降幅度达到47.8%、41.9%和11.7%,平均摩擦系数分别为0.47、0.38和0.39。综上所述,对C/C多孔体进行高温热处理可使C/C-SiC复合材料的导热性能提升,更耐磨并且表现出更稳定的摩擦系数。

不锈钢冶炼用铁水包Al_(2)O_(3)-SiC-C内衬砖的性能与侵蚀机理

铁水包内衬材料长期服役于间隔周期较长的高、低温交替环境,极易发生剥落与侵蚀损毁。为了探索影响铁水包内衬材料使用寿命的主要因素,对市面上四种铁水包Al_(2)O_(3)-SiC-C内衬砖的化学成分、物相组成、物理性能和微观结构进行了分析,并以高炉渣为侵蚀介质,重点研究了不锈钢冶炼用铁水包Al_(2)O_(3)-SiC-C内衬砖的侵蚀机理。结果表明:铁水包Al_(2)O_(3)-SiC-C内衬砖中Al_(2)O_(3)含量越高,高温下制品的液相量越低,越有利于提高耐火砖的高温力学性能;随着含碳量的增加,铁水包Al_(2)O_(3)-SiC-C内衬砖的抗渣性得到明显改善,但抗氧化性及高温抗折强度呈下降趋势;高炉渣中CaO、MgO向耐火砖中渗透,与耐火砖中的Al_(2)O_(3)、SiO 2发生反应形成高熔点的镁铝尖晶石及低熔点的钙长石等,生成的低熔相会加剧耐火砖的侵蚀。

C/C-SiC:W/Cu复合涂层的制备和性能

为了提高C/C-SiC复合材料的耐烧蚀性能,改善W涂层的脆性,通过包覆法制备了W/Cu复合粉末,在C/C-SiC复合材料表面通过大气等离子喷涂技术(APS)制备了W涂层、W/Cu复合涂层,研究了不同W/Cu质量比(10∶0.5、10∶1、10∶1.5)对复合涂层的微观结构、显微硬度、耐烧蚀、抗冲刷性能的影响。结果表明,大气等离子喷涂制备的W/Cu复合涂层会形成特殊的Cu/W/Cu/W交替结构,随着Cu的增加,涂层表面夹生W颗粒增多,W/Cu复合涂层的显微硬度降低,最高下降幅度为45%,但W涂层脆性得到明显改善,抗冲刷性能明显增强。在热流密度为4200 kW/m^(2)的氧乙炔火焰考核60 s的过程中,W/Cu复合涂层由于Cu的低熔点、高沸点的发汗特性,会吸收大量热量,从而有效降低涂层表面温度,延缓烧蚀,在W/Cu质量比为10∶1时,W/Cu复合涂层烧蚀中心面直径相较于W涂层缩小57.4%,线烧蚀率和质量烧蚀率分别降低45.5%、42%。

化学气相渗透法制备C/C-SiC复合材料及其抗冲击性能研究

为了研究不同碳纤维原丝数量对C/C-SiC复合材料抗冲击性能的影响,采用两步化学气相渗透法(CVI)对不同碳纤维原丝数量(K)的2.5D碳纤维针刺预制体进行陶瓷基体致密化,得到2种C/C-SiC复合材料(3K-C/C-SiC和12K-C/C-SiC)。采用体积法和压汞仪测定了2种C/C-SiC复合材料的密度和开孔孔隙率。通过X射线衍射、扫描电子显微镜、能谱(EDS)分析等表征手段对C/C-SiC复合材料的结构和形貌进行表征。结果表明,碳纤维原丝数量对C/C-SiC复合材料的结构与性能均有较大影响。采用两步CVI工艺制备的C/C-SiC复合材料,热解碳(PyC)和碳化硅(SiC)都能均匀沉积在2种碳纤维表面,3K,12K碳纤维2.5D针刺预制体增重分别约30%和25%,3K-C/C-SiC和12K-C/C-SiC复合材料的密度分别约为0.89,0.74 g/cm^(3),开孔孔隙率分别约为52.87%和56.53%,是由于3K碳纤维2.5D针刺预制体的纤维含量低,密度小,孔隙率大,沉积在纤维表面的PyC和SiC更多,同时SiC的密度大于C的密度,从而使得3K-C/C-SiC复合材料的密度较大,孔隙率较小。通过对2种C/C-SiC复合材料的结构和形貌进行表征发现3K-C/C-SiC,12K-C/C-SiC复合材料中SiC含量分别约为27.2%和11.1%,C含量分别约为72.8%和88.9%,单根纤维束中PyC层厚度分别约为2.162,2.145μm,SiC层分别约为1.890,1.284μm;3K-C/C-SiC复合材料SiC含量更高、C含量较低,这是由于3K碳纤维2.5D针刺预制体的碳纤维含量较低,孔隙率较大,从而能使更多的PyC和SiC沉积在碳纤维表面。经抗冲击测试测得到3K-C/C-SiC和12K-C/C-SiC复合材料的冲击韧性分别约为25.624,14.310 kJ/m^(2),吸收功分别约为1.52 J和1.09 J。通过摆锤式冲击试验结果发现,3K-C/C-SiC复合材料的抗冲击性能要优于12K-C/C-SiC复合材料,其优良的抗冲击性能主要是因为3K-C/C-SiC复合材料表面的SiC层更厚,使其断裂需要更多的断裂功,PyC具有良好的韧性,能够提高纤维的抗冲击性能,同时3K碳纤维预制体的韧性要优于12K碳纤维预制体,因此断裂3K-C/C-SiC中的纤维束需要更多的断裂功。

C/C复合材料SiC-TaSi_2/MoSi_2抗氧化复合涂层研究

采用包埋技术在C/C复合材料表面制备SiC-TaSi_2/MoSi_2抗氧化复合涂层,通过恒温氧化实验以及X射线衍射(XRD)分析、扫描电镜(SEM)观察及能谱(EDS)分析,研究了包埋粉料中Ta,Mo含量对复合涂层微观结构和高温抗氧化性能的影响.结果表明,Ta,Mo摩尔比为1:1时所制备的复合涂层具有相对较大的厚度和较为致密的结构,氧化过程中在该涂层表面形成致密和稳定的玻璃态SiO_2保护膜.在1500℃氧化326h和经过23次1500℃至室温间的急冷急热后,带有该涂层的C/C试样失重仅为0.97%,表明该涂层具有优异的抗氧化和抗热震性能.

浆料浸渍法制备C/C-SiC-ZrB_2超高温复合材料及其烧蚀性能研究

采用浆料浸渍法引入ZrB2微粉作为耐超高温相,以炭纤维为增强体,以热解炭和SiC为基体,制备了ZrB2含量不同的耐超高温C/C-SiC-ZrB2复合材料;通过电弧风洞考核材料的抗烧蚀性能,通过XRD、SEM和EDS分析材料的烧蚀机理。结果表明:在Ma 6电弧风洞条件下,C/C-SiC-ZrB2复合材料的抗烧蚀性能优于C/C-SiC,且随着ZrB2含量的增加,抗烧蚀性能随之提高;在高温阶段形成的ZrO2-SiO2玻璃态熔融层起到了抗氧化烧蚀的作用。

碳/碳复合材料SiC/Al-Si涂层微观结构及抗氧化性能研究

采用料浆法在碳/碳复合材料碳化硅(SiC)内涂层表面制备了Al-Si合金外涂层,采用XRD和SEM分析了涂层的微观结构,并测试了带有SiC/Al-Si复合涂层的碳/碳复合材料试样在1500℃静态空气中的抗氧化性能。结果表明:Al-Si合金外涂层主要成分为Al3.21Si0.47,含有少量Al2O3;SiC/Al-Si复合涂层厚度约为120μm,无穿透性裂纹;SiC/Al-Si复合涂层的抗氧化性能明显优于单一SiC涂层,氧化17h后涂层试样的质量损失未超过5%。

两步法制备具有自愈合能力的纯SiC涂层(英文)

为了提高碳/碳(C/C)复合材料的抗氧化性能,通过两步法在基体表面制备了具有自愈合能力的纯SiC涂层.首先,通过高含氢硅油(H-PSO)的高温热解在基体表面引入SiC纳米线,然后通过高温渗Si,在碳材料表面生成厚度约为100-200μm的涂层.通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)表征了所制备的涂层形貌及相组成,并对所制备的试样进行了氧化实验.实验结果表明:涂层是由纯SiC构成的,且具有一定的自愈合能力;所制备的试样在1400℃下氧化4h,失重仅为0.71%,抗氧化性能得到提高.

纳米Al_2O_3对Al_2O_3-SiC-C浇注料性能的影响

以电熔致密刚玉、碳化硅、沥青等为主要原料,研究了加入纳米Al_2O_3对Alpha-bond结合的Al_2O_3-SiC-C质铁沟浇注料性能的影响。随着细粉预混法引入的纳米Al_2O_3的增加,流动值相近时,浇注料加水量有所增加,常温抗折强度和耐压强度变化趋势不明显;高温抗折强度在纳米Al_2O_3加入量为0.5%(质量分数,下同)时最高,提高幅度为4%,但随着加入量的继续增加,呈降低趋势。静态坩埚抗渣实验表明:含纳米Al_2O_3的浇注料,其抗渣侵蚀性没有得到改善;在加入1.0%纳米Al_2O_3时,抗渣渗透性得到提高。引入的纳米Al_2O_3使得材料在高温处理后更易生成莫来石相。

2D C/SiC复合材料低速冲击损伤研究

通过2D C/SiC复合材料的低速冲击试验和冲击后压缩试验,以及超声C扫描和红外热波两种无损检测方法,研究了冲击能量与冲击损伤的关系及其对压缩性能的影响.结果表明:C/SiC具有较好的损伤容限能力,冲击能量低于1.5J时几乎无目视损伤,高于9J时有被击穿的趋势.冲击后的名义压缩强度和压缩模量随着冲击能量的增加呈下降趋势,最多分别下降了44.7%和16.9%.

二维C/SiC复合材料低速冲击损伤特性的表征研究

为研究二维C/SiC复合材料的低速冲击损伤性能,采用落锤式冲击试验机进行低速冲击试验,并利用声发射技术对试验进行动态监测以及冲击后试样的检测。结果表明:冲击能量的大小是造成C/SiC复合材料损伤模式不同的主要因素,同时,声发射参数可以很好地表征C/SiC复合材料的损伤模式和损伤演化过程。在较低冲击能量下(3 J以下),材料的低速损伤主要是基体开裂;介于3 J到9 J之间的冲击作用下,基体开裂和分层是材料损伤的主要模式;冲击能量一旦超过9 J,材料中出现大量纤维断裂。

熔融硅液相浸渍法制备C／C-SiC复合材料

采用熔融硅液相浸溃法制备了C／C-SiC复合材料,反应生成的SiC主要分布在层间孔和束间孔碳基体表面,少量分布在束内孔．1600℃渗硅2 h,硅化深度约为2～4μm．由于液态硅与碳之间的润湿性很好,在碳基体表面形成了连续的SiC层,局部有粗大的多面碳化硅颗粒生成;讨论了细晶粒连续SiC层和SiC粗晶粒形成机理．由于SiC的加入,材料的抗氧化性能得到明显改善．

C/C-SiC复合材料高温防护研究进展

C/C-SiC复合材料具有高比强度、高比模量、高热导率、低热膨胀系数和优异的高温抗氧化性能等特点,是新一代的耐高温陶瓷基复合材料,已经被广泛地用作热结构和热防护材料、制动材料以及空间光学系统零部件等。近年来,随着高超声速飞行器和返回式航天运输工具的快速发展,飞行器面临着更多的有高热流、高压气流以及高速粒子冲蚀的环境,这对C/C-SiC复合材料的高温防护技术提出了更高的要求。C/C-SiC复合材料高温防护的研究主要集中在纤维涂层改性、基体改性和高温防护涂层等3个方面,综合近几年国内外的研究报道,从上述3个方面综述了C/C-SiC复合材料高温防护技术的研究进展,总结了各种高温防护技术的制备方法,比较了3种高温防护技术的特点,最后对C/C-SiC复合材料高温防护技术的发展趋势提出了一些见解。

2D-C/SiC缺口试样的拉-拉疲劳损伤

研究了二维正交编织C/SiC双边对称圆弧缺口试样室温和高温真空的拉拉疲劳行为,正弦波疲劳应力比R=0.1,频率60Hz,循环基数106次.循环到规定周次停机,测量试样的共振频率、电阻,并进行SEM观察.结果表明,2D-C/SiC复合材料缺口试样拉-拉疲劳的S-N曲线非常平坦,其疲劳极限是同温度下缺口试样拉伸强度的80%～90%,光滑试样和缺口试样的疲劳极限比值与理论应力集中系数基本相同.缺口试样在疲劳过程中,电阻表征损伤与模量表征损伤的规律基本一致.在疲劳试验初期阶段,缺口附近损伤发展很快,主要表现为产生大量与加载方向垂直的裂纹,随着疲劳次数的增加,损伤发展减缓,但损伤形式逐渐增多,缺口附近与加载方向垂直的裂纹数量明显多于平行加载方向的裂纹数.讨论了电阻表征损伤和模量表征损伤之间的关系.

SiC/Mo-Si复合涂层C/SiC复合材料的氧化性能

采用化学气相沉积法(CVD)和刷涂法在C/SiC复合材料表面制备抗氧化涂层。该涂层由致密的CVDSiC层和多孔的Mo-Si层交替组成,其结构从里到外为:CVDSiC层→Mo-Si层→CVDSiC层→Mo-Si层→CVDSiC层。涂层试样于1400℃的氧化实验和1400℃100℃的热震实验结果表明:在氧化和热震过程中,涂层均保持完整,没有出现脱落和掉块等失效现象。经1400℃、150h氧化后,涂层试样的失重率仅为0.25%,失重速率为6.61×10-6g.cm-.2h-1。在热震过程中,涂层试样基本保持氧化增重。经25次和50次热震后,涂层试样的弯曲强度保持率分别为95.73%和81.61%。SiC/Mo-Si复合涂层具有优异的抗氧化和抗热震性能,可对C/SiC复合材料提供1400℃、长时间的氧化防护。