聚合物浸渍裂解法制备C/C-ZrC-SiC-ZrB2复合材料及其性能研究

以有机ZrC、ZrB2前驱体和聚碳硅烷的混合溶液为浸渍前驱体,利用聚合物浸渍裂解法(PIP)制备了C/C-ZrC-SiC-ZrB2复合材料,并对材料的微观形貌、弯曲和烧蚀性能进行了研究。研究结果表明:利用该方法可制备出陶瓷相填充充分且分布均匀的C/C-ZrC-SiC-ZrB2复合材料。材料的弯曲强度为126.31 MPa,断面有大量的纤维束拔出,表现出良好的假塑性断裂模式。经过120 s氧–乙炔烧蚀,材料无明显烧蚀,其线烧蚀率和质量烧蚀率分别为–2.50×10-4mm/s和–1.33×10-4g/s。在材料表面不同区域形成不同的保护层,不仅能够降低氧气和热流向材料内部扩散,还具有弥补缺陷的作用,使材料表现出优异的抗烧蚀性能。

聚合物浸渍裂解法制备C/C-ZrC复合材料及其性能

本文以低密度C/C复合材料为坯体,有机锆聚合物为前驱体,采用聚合物浸渍裂解法(PIP)制备C/C-ZrC复合材料,并对其微观结构、力学性能、烧蚀性能以及烧蚀机理进行了研究。结果表明ZrC在材料内分布均匀,密度为2.05g·cm^(-3)的C/C-ZrC复合材料其弯曲强度为89.70MPa,呈脆性断裂。经氢-氧焰烧蚀150s后其线烧蚀率为-2.2×10^(-3)mm·s^(-1),质量烧蚀率为-1.0×10-3g·s^(-1),远低于密度为1.86g·cm^(-3)的C/C复合材料(线烧蚀率:4.4×10^(-3) mm·s^(-1),质量烧蚀率:7.5×10^(-4)g·s^(-1));在烧蚀的过程中,ZrC表现出优先氧化,同时生成的ZrO_2阻挡层能有效阻挡热量的传递和氧气的渗透,提高了材料的抗烧蚀性能。

沉积温度对CVI+PIP工艺C/C复合材料微观组织及磨损性能的影响

采用化学气相浸渗(CVI)与聚合物浸渍裂解法(PIP)相结合的工艺制备碳/碳(C/C)复合材料,利用CFT-I型材料表面性能综合试验仪对C/C复合材料进行往复摩擦磨损测试,采用扫描电镜对C/C复合材料的微观组织与摩擦磨损试验后的表面形貌进行表征,研究了沉积温度对CVI+PIP工艺C/C复合材料微观组织与摩擦磨损性能的影响规律。结果表明:与石墨材料相比,C/C复合材料具有更加理想的摩擦磨损性能;沉积温度为1050℃制得的C/C复合材料具有稳定的摩擦系数和最低的磨损率,在该温度下产生的孔洞和裂纹极少,浸渗效果最为理想。

高性能连续碳纤维增强碳化硅复合材料的制备及其高温力学性能的研究

连续碳纤维增强碳化硅(Cf/SiC)复合材料以其耐高温、高强度、低密度等特性已成为新一代航空发动机高温部件的首选材料。采用聚合物浸渍裂解法(PIP)成功制备出适用于航空发动机高温部件的Cf/SiC复合材料,其密度为1.83g/cm3。在发动机典型工作温度1200℃条件下,通过本工艺制备Cf/SiC材料的弯曲强度高达712MPa,略高于材料的室温弯曲强度(641MPa)。这一现象可能由碳纤维在冷却过程中产生的残余应力引起。此外,在温度为1200℃、加载压力120MPa的条件下,材料的稳态高温蠕变速率为2.08×10-3%/h,基体开裂和界面滑动可能是材料宏观变形的主要原因。

C/C基体密度对C/C-SiC-ZrC复合材料性能的影响

分别以密度为1.26 g/cm^3和1.46 g/cm^3的C/C复合材料作为基体材料,用有机硅和乙酸锆作为先驱体,采用先驱体浸渍裂解法(precursor infiltration pyrolysis,PIP)制备C/C-SiC-ZrC复合材料,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)等检测手段分析该复合材料的成分和微观结构,研究C/C基体密度对材料抗压强度、线膨胀系数以及抗烧蚀性能的影响。结果表明,C/C基体密度为1.46 g/cm^3时C/C-SiC-ZrC复合材料的抗压强度较高(146.36 MPa)、线膨胀系数较小。C/C基体密度为1.26 g/cm^3的C/C-SiC-ZrC复合材料具有更优的抗烧蚀性能,经过30 s烧蚀后,其质量烧蚀率和线烧蚀率分别为-2.9×10-4g/s和1.7×10-3 mm/s,这主要是因为C/C基体密度较低时,材料中的陶瓷含量更高,当烧蚀发生时,能更快地在材料表面形成SiO_2-ZrO_2氧化物薄膜,从而减缓材料内部基体的进一步烧蚀。

聚碳硅烷的高温陶瓷化机理

通过TG-DTA,IR,XRD和SEM等测试方法分析研究聚碳硅烷（PCS）的热分解过程及在真空高温条件下物相成分及晶形的变化过程。研究结果表明：聚碳硅烷质量损失主要发生在300-700℃之间,300-450℃主要发生小分子聚合物以及裂解产生的分子碎片的挥发;450-650℃之间,Si—H和C—H键发生断裂,生成氢气、烷烃等气体;650-900℃,PCS发生有机无机转变,裂解产物开始具有无机特征;900-1200℃,裂解产物基本不再具有有机特征,PCS完全转化为无定型SiC;1 200℃以后,SiC结晶形成β-SiC和α-SiC,温度升高结晶度增加且伴随晶粒的长大,2 000℃时有SiC的升华现象,且2 000℃的XRD可以证明C在PCS的陶瓷化过程中有一定富余。

SiC对C/C-ZrC-SiC复合材料的微观形貌、烧蚀及热物理性能的影响

为了研究SiC及其前驱体聚碳硅烷对聚合物浸渍裂解法(PIP)制备的C/C-ZrC-SiC复合材料的影响,本文以聚碳硅烷和有机锆分别为SiC和ZrC的前驱体,利用PIP法制备了C/C-ZrC和C/C-ZrC-SiC两组复合材料,采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对材料的微观结构进行分析,在氧乙炔环境下考核了复合材料的抗烧蚀性能,并选用热分析仪对两组材料的热物理性能进行对比分析。结果表明,聚碳硅烷因其较高的SiC产率可以提高C/C-ZrC-SiC复合材料中陶瓷基体的致密程度,其产物SiC改善了陶瓷基体与碳基体的界面结合状态。氧乙炔烧蚀120 s后,与C/C-ZrC相比,SiC的加入使C/C-ZrC-SiC表现出更优异的抗烧蚀性能,主要归功于烧蚀中心表面熔融ZrO2保护层和烧蚀边缘致密SiO2层的形成。此外,SiC有利于提高材料的导热性能,同时降低其热膨胀系数。

CVD-SiC涂层封孔处理后C/C-ZrC-SiC复合材料的烧蚀行为

为提高聚合物浸渍裂解法制备的C/C-ZrC-SiC复合材料的抗烧蚀性能,采用化学气相沉积(CVD)技术对材料进行了SiC涂层表面封孔处理,并考察材料在氧乙炔环境中的烧蚀行为,明确CVD-SiC涂层对材料的抗烧蚀性能的作用。研究结果表明,CVD-SiC涂层封孔处理后材料表现出优异的抗烧蚀性能,烧蚀240 s后,其线烧蚀率仅为0.94×10-3mm/s,较无涂层材料的降低了39.4%。在烧蚀过程中,中心区域涂层及基体材料的演变过程如下:SiO_2膜包覆ZrO_2结构的形成→SiO_2膜失效→基体中Zr C和SiC的氧化→ZrO_2致密保护层的形成。SiC涂层对材料烧蚀性能的贡献主要体现在以下两方面:烧蚀中心区域的SiC涂层被氧化成SiO_2,其蒸发带走大量的热流,降低了材料的烧蚀温度;此外,SiC涂层的存在有效减少了材料内部的氧化及裂纹的形成。

层合结构吸波陶瓷基复合材料设计及性能研究

随着隐身技术的快速发展,对复合材料的吸波性能要求日益提高。本文以SiC纤维2D机织织物为预制体,通过先驱体浸渍裂解法(PIP)制备了SiCf/SiC 2D机织层合复合材料,并通过试验测试与数值模拟相结合的方法研究了其反射损耗、吸波机理、影响因素等基础吸波性能。结果表明,在4~18 GHz频率范围内,本文所制备的SiCf/SiC 2D机织层合复合材料具有3 GHz的有效吸波带宽,吸收峰9.7 GHz处的最大反射损耗达-19.2 dB,其吸波性能与纤维电磁参数、细观结构参数以及电磁波的入射角度等因素密切相关。此外,还发现复合材料的吸波性能主要来源于特殊的编织结构和纤维与基体之间的相互作用。这些相互作用使电磁波在材料内部发生多次反射、散射和吸收,从而实现了高效的电磁波衰减,推动SiCf/SiC复合材料在隐身技术、电磁屏蔽等领域的应用。