“超高温材料氧化烧蚀行为与防护技术”专题序言

高性能飞行器朝着速度更快、航时更长、稳定性更高的方向发展,一方面要求其发动机推重比和效率不断提升,另一方面要求其热防护系统耐温性和服役可靠性不断增加。随着发动机推力和效率的提高,发动机的涡轮进口温度需不断提高。未来的航空发动机要求其热端关键部件在1400℃以上的高温和复杂载荷条件下长期可靠使用,因此传统的镍基和钴基高温合金已经不能满足下一代高性能先进发动机的需求。

HfC系超高温陶瓷抗氧化烧蚀性能研究

以热压烧结制备不同配比的HfC-SiC超高温陶瓷试样,采用超音速火焰分别在2300K和2500K下进行600s烧蚀试验,利用SEM和EDS对烧蚀后材料的微观结构和成分进行分析。结果表明:HfC-SiC体系超高温陶瓷具有优异的抗氧化烧蚀性能,30vol%SiC-HfC材料的抗烧蚀性能优于50vol%SiC-HfC材料与纯HfC材料,其抗氧化烧蚀主要依赖于HfCxOy与SiO_2所生成的氧化层。纯HfC陶瓷的烧蚀氧化层与基体粘附性弱,出现了明显的分层,而SiC的加入使得氧化层与基体之间粘附性加强。烧蚀温度升高,烧蚀层厚度增加,抗烧蚀性能下降。与此同时,烧蚀温度提高会使Si元素有较多的损失,导致氧化层不致密;当SiC含量增加到50vol%后,内层HfC_xO_y骨架松散,不利于材料的抗氧化烧蚀。

C/C-SiC-ZrB2复合材料表面SiC/ZrB2-SiC/SiC涂层的制备及抗氧化烧蚀性能研究

目的研究C/C-SiC-ZrB2复合材料表面SiC/ZrB2-SiC/SiC涂层的制备、抗氧化烧蚀性能与机理。方法选择ZrB2和SiC改性的C/C复合材料为基体,通过包埋-刷涂法在C/C-SiC-ZrB2复合材料表面制备了SiC/ZrB2-SiC/SiC多重抗氧化涂层,并对复合材料的微结构、抗氧化烧蚀性能与机理进行分析和研究。结果制备了一种三层结构的SiC/ZrB2-SiC/SiC超高温陶瓷复合涂层,获得了风洞考核试验下的复合材料微结构变化、线烧蚀率等试验数据,并得到了C/C-SiC-ZrB2复合材料的氧化烧蚀机理。结论SiC/ZrB2-SiC/SiC涂层对C/C-SiC-ZrB2复合材料的抗氧化和耐烧蚀性能具有明显提升,有效提高了C/C-SiC-ZrB2复合材料的综合热防护性能。

一种基于Boltzmann方程的碳基复合材料氧化烧蚀微观界面的追踪方法

针对碳基复合材料的非均相特点,构建环境-纤维—中间相-基体多相单胞烧蚀模型,应用非平衡统计物理学的Boltzmann方程,求解该扩散—表面非均相氧化反应体系中各相的空间演化过程,实现对介尺度下烧蚀界面的精确追踪。本文先对两相单胞模型进行了求解,获得了与解析解一致的结果,验证了模型。再对三相单胞模型的烧蚀过程进行了数值模拟。结果表明,氧化烧蚀界面的形貌主要取决于相邻两相之间的状态;气相浓度的线性化假设在远离界面处具有合理性,但在界面附近气相浓度呈非线性分布。由于扩散的限制,纤维与基体之间的界面相在氧化烧蚀过程中存在最大烧蚀深度。通过数值模拟给出了烧蚀深度与舍伍德数、纤维半径和反应速率比之间的函数关系,提出的界面追踪算法在求解过程中表现出了很好的稳定性。

“超高温材料氧化烧蚀行为与防护技术”专题主编付前刚

付前刚,教授,博士生导师,西北工业大学材料学院副书记(主持工作),陕西省纤维增强轻质复合材料重点实验室主任,中国复合材料学会常务理事,中国材料研究学会理事,陕西省腐蚀与防护学会副理事长,中国硅酸盐学会测试技术分会理事,中国材料研究学会青年工作委员会理事,中国复合材料学会空天动力复合材料及应用专委会委员,中国金属学会炭素材料分会委员,中国复合材料学会科技咨询委员会委员,陕西省宇航学会复合材料技术及应用专委会副主“超高温材料氧化烧蚀行为与防护技术”专题主编付前刚任。万人计划中青年科技创新领军人才,首批国家自然基金委优青,首批万人计划青年拔尖人才,教育部新世纪优秀人才,全国百篇优博论文获得者,首批陕西省青年科技新星。

超高温陶瓷改性C/C复合材料抗氧化烧蚀性能研究进展

碳/碳(C/C)复合材料具有高强、轻质和耐温等优势,在航天领域取得广泛应用;但由于其抗氧化性能较差,难以满足高超声速飞行器长时飞行、大气层再入飞行和跨大气层飞行的服役环境。利用超高温陶瓷改性C/C复合材料(C/C-UHTC)可以显著提高C/C复合材料的抗氧化烧蚀性能,有望满足新一代飞行器长时间抗氧化、抗烧蚀及结构强度的要求。本文总结了C/C-UHTC复合材料烧蚀性能的常用测试方法,包括氧-乙炔烧蚀、等离子烧蚀、激光烧蚀和风洞烧蚀,简要介绍了各种烧蚀性能测试方法的特点。此外,对近年来Zr系和Hf系单组元、双组元和三组元C/C-UHTC复合材料的烧蚀性能及烧蚀机理进行详细阐述。

多孔碳纤维增强陶瓷基复合材料抗氧化烧蚀涂层的制备及性能研究

为提高多孔碳纤维增强陶瓷基复合材料的耐烧蚀性设计了含玻璃的双层结构陶瓷涂层,内层为浆料烧结法制备的Zr B_2-Si C-玻璃涂层,外层为大气等离子喷涂技术制备的Zr B_2-Mo Si_2-玻璃涂层。利用XRD和SEM对涂层的相结构和微观形貌进行分析,采用氧-乙炔火焰对涂层进行烧蚀试验。结果表明,内涂层玻璃相含量为30%时封孔效果较好,在1300℃下烧结2 h可得到致密的内涂层。采用优化后的等离子喷涂工艺可以制备与内涂层结合性良好的外涂层。涂层表面温度在1500℃以下时具有良好的抗烧蚀性能。烧蚀氧化形成以Si O_2为填充相,Zr O_2、Zr Si O_4为支撑相的致密层,封填孔洞,有效保护了基体材料。

C/SiC复合材料碳纤维氧化烧蚀机理研究

C/SiC复合材料具有强度高、耐高温等优点,在航空航天领域中应用广泛。本文采取实验测量与数值模拟结合的方法,针对C/SiC复合材料内碳纤维发生氧化烧蚀致使材料失效的问题展开了研究。首先,通过实验测量了不同温度、氧分压下碳纤维氧化失重速率并拟合了关系式;随后,基于关系式构建了氧化烧蚀模型;最后,采用格子玻尔兹曼方法(LBM)求解控制方程,对复合材料的氧化烧蚀特性进行了模拟研究。结果表明,随着温度升高,烧蚀速率控制因素会由反应速率逐渐转变为扩散速率;另外,数值模拟的结果表明,纯碳纤维材料的平均烧蚀速率约为C/SiC复合材料内碳纤维的2~27倍,且温度越高二者差异越大。本文的研究为C/SiC复合材料的抗氧化改进提供理论基础。

C/C-SiC-ZrC复合材料抗氧化烧蚀性能研究

采用化学气相渗透(CVI-C)和液相浸渍裂解(PIP-SiC、PIP-ZrC)工艺制备了2.5D C/C-SiC-ZrC陶瓷基复合材料。通过液氧煤油超音速火焰对蘑菇头驻点试验件进行烧蚀试验,并采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)对材料的微观形貌及抗氧化烧蚀机理进行了初步探讨。结果表明,C/C-ZrC-SiC复合材料基体中SiC:ZrC质量比约为4:6,在2200K~2400K液氧煤油超音速火焰烧蚀试验环境下具有良好的抗烧蚀性能,100s蘑菇头驻点线烧蚀率仅为0.0054mm/s。研究发现,C/C-ZrC-SiC复合材料中合适的SiC和ZrC基体配比,高温氧化烧蚀过程中,材料表面形成了以ZrO_(2)颗粒为骨架的连续致密粘稠熔融层,有效封填材料表面的裂纹、孔洞,降低氧化性气氛向材料内部扩散的速率,对材料形成了较好的保护。

TaSi_(2)改性ZrB_(2)/SiC复合粉末制备及涂层抗氧化性能研究

目的 提高ZrB_(2)/SiC涂层的致密性及抗氧化烧蚀能力。方法 设计向ZrB_(2)/SiC涂层中掺杂TaSi_(2),以提升ZrB_(2)/SiC涂层的致密度和抗氧化性能。首先通过喷雾造粒法制备了4种不同成分配比的复合团聚粉,然后采用大气等离子喷涂(APS)在C/C基体表面制备了4种团聚粉复合涂层,最后使用氧-乙炔火焰法对所制备的涂层进行了烧蚀考核。结果 通过涂层致密度对比发现,随着TaSi_(2)的增加,涂层共晶区会有所增加,涂层致密度得到了明显改善。通过烧蚀考核发现,TaSi_(2)的加入能够增加SiO_(2)的含量,并产生热稳定性好的TaZr_(2.75)O_(8)。此外致密TaZr_(2.75)O_(8)的产生还能够有效改善涂层的抗氧化烧蚀性能。结论 最终得出的ZrB_(2)/SiC涂层硅化物掺杂改性方案为30%TaSi_(2)/42%ZrB_(2)/28%SiC(体积分数)大气等离子喷涂制备的抗氧化烧蚀涂层,其在1 600℃烧蚀5 min后的质量损失率为-1.70×10^(-4) g/s。

TiC和ZrC颗粒增强钨基复合材料的烧蚀研究

用氧乙炔焰喷吹法对 Ti C和 Zr C增强钨基复合材料 ( Ti Cp/W和 Zr Cp/W两系列 )烧蚀性能进行了研究。结果表明 ,复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率由高到低的排列顺序为 :W>30 Ti Cp/W>4 0 Ti Cp/W>30 Zr Cp/W>4 0 Zr Cp/W( 30 Ti Cp/W表示含 Ti Cp 的体积分数为 30 % ,下同 )。对复合材料在烧蚀初期剧烈的升温过程进行了在线监测。 30 Ti Cp/W和 4 0 Ti Cp/W在烧蚀初期剧烈的升温过程中未能经受住约 2 0 0 0℃ /s升温热震而开裂 ,而 30 Zr Cp/W和 4 0 Zr Cp 能经受约 2 0 0 0℃ /s升温热震。在钨中加入 Ti C和 Zr C颗粒能明显提高钨的抗烧蚀性能 ,而且 Zr C颗粒比 Ti C颗粒更能提高 W的抗烧蚀性能。碳化物含量越高 ,材料的抗烧蚀性能越好。复合材料烧蚀机理是 W、Ti C和 Zr

TiC颗粒增强钨基复合材料的烧蚀性能

用自制的氧乙炔烧蚀装置对TiC颗粒增强钨基复合材料 (TiCp/W )的烧蚀性能进行了测试 ,同时用多波长比色高温计对烧蚀试样表面温度和用热电偶对试样背面温度进行了在线监测。复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率由低到高的排列顺序为 :W <30 %TiCp/W <40 %TiCp/W。TiC颗粒加入到W中可明显提高材料的抗烧蚀性能 ,而且TiC颗粒含量越高 ,材料的抗烧蚀性能越好。TiCp/W复合材料的烧蚀机理是W和TiC的氧化烧蚀和燃气流的机械冲刷。

ZrC_p/W复合材料的烧蚀性能

用自制的氧乙炔烧蚀装置对ＺｒＣｐ／Ｗ复合材料烧蚀性能进行了研究。结果表明：复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率由低到高的排列顺序为 ４０％ＺｒＣｐ（体积分数，下同）／Ｗ＜３０％ＺｒＣｐ／Ｗ＜Ｗ；钨中加入ＺｒＣ颗粒明显提高了钨的抗烧蚀性能，而且 ＺｒＣ颗粒含量越高，材料抗烧蚀性能越好。并用多波长高温计对烧蚀表面温度进行在线测试。复合材料烧蚀机理是Ｗ，ＺｒＣ的氧化烧蚀。

人工神经网络建模在抗烧蚀炭/炭复合材料基体改性研究中的应用

基体改性是防止炭 炭复合材料氧化的主要手段。通过将人工神经网络引入炭 炭复合材料的基体改性研究,借助Levenberg Marquardt算法对不同添加剂组成改性试样所具有的氧化烧蚀率学习,建立了炭 炭复合材料改性添加剂组成—氧化烧蚀率的BP网络模型。研究结果表明:所建模型可以较好地反映添加剂含量与试样氧化烧蚀率间的内在规律,网络模型的输出值和实验验证值间的误差<0.5%,将模型筛选出的最优配方用于基体改性,试样的氧化烧蚀率下降了49.5%,说明将人工神经网络用于炭 炭复合材料基体改性是可行和有效的。

切向空气气流对激光烧蚀碳纤维复合材料过程的影响

研究了靶材表面存在和不存在切向空气气流时,975 nm连续激光对碳纤维增强树脂基复合材料的辐照效应。两种情况下靶材的动态响应过程明显不同,没有切向气流时,激光辐照1.28 s后,向外喷出的热分解产物在空气中燃烧,出现火焰同时伴有浓烟;有切向气流时,没有观察到带火焰和浓烟的燃烧现象,而是在激光辐照后的瞬间,激光作用区出现灼烧状亮斑,并间歇有少许颗粒向外喷出。分析认为,向外溢出的树脂基热分解产物会抑制氧气向靶材表面扩散,从而对碳纤维具有保护作用;切向气流的加载不仅会破坏热分解产物对碳纤维的保护作用,还会促使氧气到达碳纤维表面,进而导致碳纤维在较低的温度(约850℃)发生氧化烧蚀。

基体改性对碳/碳复合材料烧蚀率影响的神经网络模拟

将人工神经网络的典型模型———误差后传播 (BP)算法用于改性的碳 /碳复合材料氧化烧蚀率的研究 ,建立了碳 /碳复合材料改性添加剂组成 氧化烧蚀率BP网络模型 .研究结果表明 ,所建模型较好地反映了添加剂含量与试样氧化烧蚀率间的内在规律 ,预测的氧化烧蚀率与实验值间的误差小于 0 3 2 % .将模型筛选出的最优添加剂配方用于基体改性 ,试样的氧化烧蚀率下降 49 3 % ,说明将人工神经网络用于基体改性是可行和有效的 .

激光辐照下C/C复合材料的氧化行为研究

研究了不同风速下激光辐照C/C复合材料的氧化速率,利用温度场计算结果,结合氧气在空气中的传质速率,计算了激光辐照下C/C复合材料氧化放热.结果表明,在亚音速的风速下,氧化对C/C复合材料烧蚀的贡献很小,因此,作为激光防护材料,可以忽略C/C复合材料在激光辐照期间的氧化烧蚀.

SiC-Al2O_3-SiO_2复合陶瓷涂层组织结构及抗烧蚀性能研究

目的提高C/C复合材料的抗氧化性能。方法采用大气等离子喷涂在C/C复合材料表面制备SiC-Al_2O_3-SiO_2(SAS)复合陶瓷涂层,并选用氧-乙炔在1500℃对涂层进行抗氧化烧蚀性能考核。利用XRD、SEM、EDS等检测分析手段,对团聚粉末和球化粉体以及烧蚀前后涂层的成分及组织进行检测。结果经过等离子球化处理后,三种粉体流动性为90 s/50 g左右,粉末松装密度为1 g/cm^3左右。与团聚的SiC-Al_2O_3-SiO_2粉体相比,粉末流动性提升了20%左右,松装密度提高了20%,更加适宜等离子喷涂工艺。采用球化处理SiC-Al_2O_3-SiO_2粉体制备得到的涂层组织明显优于采用团聚粉体制备的涂层,涂层致密区域明显增大,内部缺陷数量和尺寸减少。在1500℃烧蚀600s后,SiC-36%Al_2O_3-4%SiO_2涂层具有最佳的抗烧蚀效果,涂层整体完整,质量烧蚀率为1.62×10^(-4) g/s。结论 SiC-Al_2O_3-SiO_2体系解决了等离子喷涂制备SiC涂层过程中沉积率低、SiC分解的问题。SiC-Al_2O_3_-SiO_2涂层具有良好的抗氧化烧蚀效果,烧蚀过程中SiO_2和Al_2O_3形成的莫来石相具有良好的高温稳定性、抗热震性以及较低的热膨胀率和氧扩散率,可以进一步提高涂层的抗氧化烧蚀效果。

连续纤维增强陶瓷基复合材料研究与应用进展

连续纤维增强陶瓷基复合材料作为新型轻质结构材料受到各国高度关注。该材料在保持陶瓷材料的耐高温、抗腐蚀等优点的同时,克服了陶瓷材料的脆性,具有高的应用可靠性,成为目前最具潜力的高温热结构材料之一。近40多年,欧美等发达国家对陶瓷基复合材料开展了广泛的研究,已在航空航天、新能源等领域实现了工程应用或工程验证。针对不同服役环境,综述了不同类型陶瓷基复合材料研究及应用进展,并结合本团队的研究工作对陶瓷基复合材料的研究趋势进行了总结和展望,旨在为进一步推动陶瓷基复合材料的研究和发展提供参考。

超高温陶瓷及其复合材料的稀土改性研究进展

超高温陶瓷及其复合材料因具有耐超高温、轻质和抗氧化烧蚀等优点,目前已成为航空航天领域热结构材料研究的热点和前沿。基于稀土化合物在热障涂层等领域的优异性能和成功应用,研究人员将稀土化合物引入超高温陶瓷及其复合材料中,改善氧化层的结构和性质,以期解决超高温陶瓷基复合材料氧化层增长速度偏快和宽温域高低温循环氧化层易剥落等问题。本文综述了稀土改性超高温陶瓷及其复合材料的研究现状,分析探讨了改性机理,并展望了未来的研究发展方向。