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。

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。

2D-C/C复合材料结构与性能的研究进展

2D-C/C复合材料是以二维碳纤维为增强体,以化学气相渗透的热解碳或液相浸渍-炭化的树脂碳、沥青碳为基体组成的一种纯碳多相二维结构材料,是一种新型高性能结构功能复合材料,大量运用在航空航天等高新技术领域。目前研究集中于其宏观性能方面,难点在于其组织结构和性能的可控性、可调性。主要介绍了二维碳纤维预制体和针刺碳纤维,基体碳的微观结构和添加剂,纤维/基体界面和界面修饰,以及制备工艺对2D-C/C复合材料性能的影响。结合2D-C/C复合材料的结构特点,概述了2D-C/C复合材料热物理性能、力学性能及氧化烧蚀等行为的各向异性。此外,还展望了其研究发展方向。

C/C复合材料孔隙结构的研究进展

孔隙作为C/C复合材料结构中的重要组成部分,直接影响复合材料的致密化过程及其力学、氧化、烧蚀等性能,并赋予C/C复合材料许多潜在功能。C/C复合材料的致密化过程是基体炭不断填充碳纤维预制体内部孔隙的过程。从C/C复合材料的制备原理及工艺方面来说,C/C复合材料通常需要在碳氢气体若干个连续热分解周期下或在树脂、沥青等液相前驱体多个浸渍炭化循环下获得。不同结构的碳纤维预制体内部纤维和纤维束的交织及取向排列各异,导致C/C复合材料内部孔隙大小及形状、孔隙分布、孔隙贯穿通道等各不相同,进一步导致液相或气相的前驱体浸渍预制体的难易程度、在预制体中的流动路径以及对孔隙的填充状况不尽相同。另外,每个致密化周期内,材料内部致密化程度、孔隙结构变化等均不相同。前驱体在预制体内的填充、炭化后的形态及分布等都会对下一个致密化周期中前驱体的扩散传输产生影响。因此,结构不同的预制体即使具有相同的初始密度,其制备的C/C复合材料也存在明显的性能差异。孔隙对C/C复合材料性能的影响主要表现为材料力学性能及高温环境下材料的氧化、烧蚀行为的变化。在力学性能方面,一方面孔隙的存在减小了材料载荷承受面积,为材料发生形变提供了空间;另一方面,材料内部较大的孔隙或者微孔聚集处在受到外部载荷时会产生应力集中现象。此外,界面间的裂纹会在载荷作用下随着纤维与基体脱粘呈曲折扩展。在高温氧化环境中,大量的纤维束间的孔洞、基体中孔隙以及纤维/基体间的微裂纹将成为氧化气氛的扩散通道,从而加快氧化气体在材料内部的扩散以及碳纤维的氧化,进而导致复合材料迅速氧化失效。因此,需要根据应用环境,合理控制材料的孔隙数量和孔隙结构。

Ta_(x)Hf_(1-x)C(x=0-1)超高温陶瓷材料的研究进展

超高温陶瓷具有能够在超高温环境下(>2000℃)以及反应气氛中(例如原子氧、等离子体环境)保持物理和化学稳定性的独特优势,因而在高速飞行器热防护系统以及火箭发动机的热端部件等领域中应用潜力极大。近年来,作为新兴的一类超高温材料,Ta_(x)Hf_(1-x)C(x=0-1)超高温陶瓷凭借其在已知物质中最高的熔点以及优异的抗氧化、耐烧蚀潜质,引起了研究人员的关注,已成为超高温陶瓷领域的新热门。本文以现有的公开报道为依据,全面综述了国内外Ta_(x)Hf_(1-x)C(x=0-1)超高温陶瓷的组成结构、制备方法、本征性能和高温氧化烧蚀性能等的研究进展。重点阐述了材料体系在制备和性能研究方面取得的相关进展,总结了现有研究的不足,并展望了未来的研究趋势,旨在为Ta_(x)Hf_(1-x)C(x=0-1)超高温陶瓷的理论、实验和应用研究提供有益的参考。