ZrB_2-SiC基超高温陶瓷(UHTCs)的反应烧结及SHS粉体制备

用普通反应热压方法(RHP)和反应放电等离子体方法(R-SPS)原位反应制备了ZrB_2-SiC,ZrB_2-SiC-ZrC,ZrB_2-SiC-ZrN,以及ZrB_2-SiC-A1N 4种复合材料。从密度,物相以及显微结构等方面比较了两种烧结方式之间的差别,对于升温速度较慢的普通热压方法,反应分步进行,显微结构不均匀;对于升温速度快的放电等离子体烧结,原料间的自蔓延反应被点着,反应速度快,显微结构均匀。同时以红外灯的热量为点火源,引发了Zr,Si及B_4C间在空气气氛下的自蔓延反应,制备了较纯及粒径约为1μm的活性粉体。

超高温陶瓷复合材料研究进展

随着高速飞行器朝着更宽空域、更长时间和更高速度的方向发展,对飞行器的鼻锥、前缘和发动机燃烧室等关键结构的热防护性能提出了更加严苛的要求,发展在极端环境下使用的高性能热防护材料是当前的研究重点。超高温陶瓷复合材料具有优异的抗氧化烧蚀性能,是一类极具应用潜力的非烧蚀型热防护材料。然而,本征脆性问题限制了超高温陶瓷复合材料的工程化应用,需通过组分结构调控对其进行强韧化。同时,飞行器有效载荷提升也对超高温陶瓷复合材料提出了轻量化的要求。本文系统概述了超高温陶瓷复合材料近年来取得的主要研究进展,包括压力烧结、泥浆浸渍、前驱体浸渍裂解、反应熔渗、化学气相渗透/沉积与“固-液”组合工艺等制备方法,颗粒、晶须、软相物质、短切纤维和连续纤维等强韧化方法及其机制,抗氧化烧蚀性能与机理,以及轻量化设计等。讨论了超高温陶瓷复合材料组分、微结构和性能之间的关系,并指出了超高温陶瓷复合材料目前存在的挑战以及未来的发展趋势。

高熵碳化物超高温陶瓷的研究进展

高速飞行技术的发展对高性能热结构材料提出了迫切需求。高熵碳化物(HECs)陶瓷作为近年来发展迅速的一类新型材料,兼具高熵陶瓷与超高温陶瓷的优良特性,在极端服役环境中具有广阔的应用前景,因此得到国内外学者的广泛关注。相比仅含有一种或两种过渡金属元素的传统超高温碳化物陶瓷,HECs综合性能有所提升,且具有更强的组成和性能可设计性,因此具备较大的发展潜力。经过对HECs的不断探索,研究人员获得了许多有趣的结果,开发了多种HECs的制备方法,对HECs的显微结构和性能的认识也更加深入。本文综述了HECs的基本理论以及从实验过程中获得的规律;对HECs粉体、HECs块体、HECs涂层及薄膜,以及纤维增强HECs基复合材料的制备方法进行了梳理和归纳;并对HECs的力学、热学等性能,尤其是与高温应用相关的抗氧化、抗烧蚀性能的研究进展进行了综述和讨论。最后,针对HECs研究中有待进一步完善的科学问题,对HECs的未来发展提出了展望。

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。

超高温陶瓷改性C/C复合材料抗烧蚀性能研究进展

随着航空航天事业的发展,C/C复合材料被广泛应用于该领域,但是高温抗氧化性能较差的缺点限制了它的使用范围。通过基体改性的方法将超高温陶瓷(UHTCs)引入到C/C复合材料中是提高C/C复合材料抗氧化烧蚀性能的主要方法。本文主要介绍了不同超高温陶瓷相对C/C-UHTCs复合材料烧蚀性能的影响,分析了相应的烧蚀机理和烧蚀性能不同测试方法的特点,并针对C/C-UHTCs复合材料的长效热防护、性能优化作出了展望。

基于SSA-BP算法的超高温陶瓷裂纹长度预测

超高温陶瓷构件在航天航空中的运用往往会出现检测方面的困难,在构件产生裂纹后会在一定范围内失效。针对使用传统的BP神经网络预测超高温陶瓷构件的裂纹长度存在的对连接权值和阈值具有较强依赖性导致收敛速度较慢、易陷入局部最优和稳定性差等问题,提出一种基于麻雀搜索算法SSA优化的BP神经网络关于裂纹长度的预测方法。以ABAQUS有限元分析软件得出的超高温陶瓷裂纹长度相关参数构成的基础数据集作为模型的输入。利用SSA优化BP神经网络的初始权值与阈值得到了更好的拟合结果。结果表明利用SSA-BP神经网络进行预测的可行性。

超高温氧化物陶瓷激光增材制造及组织性能调控研究进展

氧化物陶瓷具有高硬度、高强度以及优异的抗氧化和抗腐蚀性能,是高性能发动机极端高温、燃气腐蚀、氧化服役环境用重要的候选高温结构材料,在航空航天用高端装备领域具有广阔的应用前景。与传统陶瓷制备技术相比,激光增材制造技术能够一步实现从原材料粉末到高性能结构件的一体化高致密成型,具有柔性度好、成型效率高的特点,可以快速制备高性能、高精度、大尺寸复杂结构部件。近年来,基于液固相变发展的熔体生长氧化物陶瓷激光增材制造技术已成为高温结构材料制备技术领域的前沿研究热点之一。本文首先概述了激光增材制造技术的基本原理,着重介绍了选区激光熔化与激光定向能量沉积两种典型激光增材制造技术的工艺特点。在此基础上,重点阐述了利用激光增材制造技术制备不同氧化物陶瓷的组织特征及工艺参数对微观组织的影响规律,并总结比较了不同体系氧化物陶瓷力学性能的差异。最后,对该领域存在的问题进行了梳理和分析,并对未来的发展趋势进行了展望。

超高温陶瓷复合材料ZrB2-HfB2-SiC电火花加工蚀除特性研究

ZrB_(2)-HfB_(2)-SiC作为超高温陶瓷复合材料,具有高硬度与高脆性的特点。采用传统机械加工方法,刀具磨损严重,加工效率低。电火花加工不受材料硬度和脆性限制,是加工ZrB_(2)-HfB_(2)-SiC材料的有效方法。但该复合材料具有非均质性和各向异性,材料组分的不同作用机制导致其具有不同于电火花加工金属的材料蚀除过程和蚀除机制。利用高速摄像观测方法对电火花加工ZrB_(2)-HfB_(2)-SiC时的单脉冲放电材料蚀除过程进行研究,分析其蚀除机制。结果表明:该材料在放电蚀除过程中发生了复杂的物理化学变化,SiC纤维主要为断裂蚀除;放电凹坑形状不规则,且不同位置的放电凹坑形貌差异很大。通过电火花微小孔加工实验,验证了电火花加工ZrB_(2)-HfB_(2)-SiC的可行性,发现微细电火花加工时其具有明显的极性效应。

二硼化锆基超高温陶瓷的制备及性能(英文)

用碳化硅(SiC)颗粒增韧二硼化锆(ZrB2)陶瓷,在氩气流中热压烧结温度为1950℃、保温1h,20MPa压力下成功制备出了致密的ZrB2/SiCp复合材料。ZrB2/SiCp复合材料的致密度随着SiC颗粒添加量的增加而增加。当SiC颗粒的体积分数(下同)为15%时,相对致密度达到100%。ZrB2/SiCp复合材料的抗弯强度和断裂韧性都随着SiC添加量的增加成上升趋势,当SiC颗粒的添加量在15%时同时达得最大值,分别为646MPa和8.52MPa·m1/2。SiCp的添加还提高了ZrB2/SiCp复合材料的耐氧化烧蚀性能。

超高温陶瓷基复合材料制备工艺研究进展

对超高温陶瓷作了简要介绍,综述了先驱体浸渍裂解(PIP)、反应熔体浸渗(RMI)、化学气相渗透(CVI)、泥浆法(SI)等工艺的最新研究进展。

ZrB2-SiC超高温陶瓷涂层的抗烧蚀性能研究

为了提高C/C复合材料的抗氧化烧蚀性能,采用浆料浸涂与原位反应复合工艺在材料表面制备了ZrB2-SiC超高温陶瓷涂层,利用氧-丙烷火焰测试了涂层的抗烧蚀性能。结果表明:采用复合工艺所制备的ZrB2-SiC超高温陶瓷涂层与基材具有较高的结合强度;在氧-丙烷火焰冲刷条件下,涂层具有良好的抗烧蚀性能,涂层经1500℃下烧蚀600 s,ZrB2-SiC涂层无明显烧蚀,C/C复合材料保持完好。微观结构观察表明:烧蚀测试后,涂层中存在ZrO2和大量超高温陶瓷相,涂层抗烧蚀形式主要表现为热化学烧蚀和机械剥蚀。

二硼化锆超高温陶瓷的研究进展

二硼化锆超高温陶瓷具有高熔点、高硬度、高热导率等优良性能,是一种性能优异的高温结构材料,具有广泛的应用前景。概述二硼化锆陶瓷的国内外研究进展;重点综述二硼化锆陶瓷材料的应用、制备以及烧结致密化的研究现状。

超高温陶瓷材料抗热冲击性能及抗氧化性能研究

研究了多种强韧化方法以提高超高温陶瓷材料抗热冲击性能,包括碳化硅晶须增强增韧、石墨软相增韧和氧化锆相变增韧。同时,还研究了碳化硅含量对超高温陶瓷材料的抗氧化性能影响。研究结果表明:碳化硅晶须和氧化锆的添加显著提高了材料的抗热冲击临界温差,而石墨软相的引入对抗冲击临界温差的影响不大,但显著提高了裂纹扩展阻力和强度保持率。高SiC含量超高温陶瓷材料在1 800℃以下具有的优异的抗氧化性能,在更高的温度下,高与低的SiC含量对超高温陶瓷材料的抗氧化性能均不利,通过优化材料的组分以降低材料表面温度是提高超高温陶瓷材料的抗氧化性能的一个非常有效的途径。

硼化锆基超高温陶瓷材料的研究进展

由于在极端环境中具有优异的物理化学性能,超高温陶瓷成为未来高超声速飞行和可重复使用运载飞船领域最具前途的候选材料之一。本文对硼化锆基超高温陶瓷材料粉体合成、烧结致密化和高温热机械性能(主要为抗氧化和抗烧蚀性能)研究方面作了综合评述,对材料研究和应用方面存在的问题作了初步总结,期望能够为推动超高温陶瓷材料的实际应用起到一定的指导意义。

耐烧蚀超高温陶瓷改性C/C复合材料的研究进展

炭/炭(C/C)复合材料在高温含氧环境中易氧化烧蚀的问题影响了其在航空航天领域的应用,引入超高温陶瓷能有效地提高其超高温耐烧蚀性能。介绍和分析了化学气相渗透、先驱体浸渍裂解、反应熔渗等基体改性工艺及其优缺点;综述了近年来C/C复合材料基体改性提高其超高温抗烧蚀性能的最新研究进展;并评述了国内在提高C/C复合材料超高温抗烧蚀性能方面取得的一些成果;最后,提出了提高C/C复合材料超高温长时抗烧蚀性能的潜在发展方向。

超高温陶瓷复合材料抗热冲击性能影响因素的实验研究

为研究超高温陶瓷复合材料抗热冲击性能的影响因素,自行搭建多参数导电类热防护材料热冲击测试装置,测试导电类材料表面温度响应、升温速率、尺寸效应、压力及气体组分对其抗热冲击性能的影响。针对ZrB2-SiC-石墨(ZSG)典型超高温陶瓷复合材料,通过正交实验获得不同参数下热冲击实验后材料的剩余弯曲强度,并利用极差、方差分析各参数对抗热冲击性能的影响权重及显著性,结果表明表面温度响应,升温速率和尺寸效应具有显著影响,压力和气体组分影响甚微。

ZrB_2-SiC和C_(sf)/ZrB_2-SiC超高温陶瓷基复合材料烧蚀机理的研究

通过真空热压工艺制备了ZrB_2-SiC材料和C^(sf)(碳短纤维)/ZrB_2-SiC超高温陶瓷基复合材料.采用氧乙炔火焰在4186.8kW/m^2的热流下分别喷吹烧蚀两种材料180s.ZrB_2-SiC材料表面最高温度达到2406℃,烧蚀后质量烧蚀率为-0.14%,线烧蚀率为-1×10^(-3)mm/s,C_(sf)/ZrB_2-SiC材料表面最高温度达到1883℃,烧蚀后质量烧蚀率为-0.19%,线烧蚀率为-4×10^(-4)mm/s.对两种材料烧蚀表面和剖面的分析发现,ZrB_2-SiC材料烧蚀后由表及里依次形成了疏松ZrO_2氧化层、SiC富集层和未反应层的三层结构,其中SiC富集层能够起到抗氧化的作用.C_(sf)/ZrB_2-SiC材料烧蚀后由外到内分别形成了ZrO_2-SiO_2氧化层、SiC耗尽层和未反应层的三层结构,其中最外层以ZrO_2为骨架,SiO_2弥合其中的结构有效地阻挡了烧蚀中氧的侵入.

升温热冲击环境下超高温陶瓷材料抗热震性能的热-损伤模型

在现有的抗热震理论基础上考虑到超高温陶瓷材料热物理性能对温度的敏感性及损伤在其使役历程中随温度的演化,建立了适用于升温服役环境下表征超高温陶瓷材料抗热震性能的热-损伤模型。该模型考虑了微裂纹尺寸、密度、热冲击环境温度等因素对材料抗热震性能的影响。利用此模型研究了超高温陶瓷材料在升温服役环境下损伤以微裂纹形核规律演化时对其抗热震性能的影响。从理论上验证了基于材料微结构设计思想在制备超高温陶瓷材料时,引进一定密度一定尺寸的微裂纹并控制其随温度演化规律以形核方式进行,既可以使材料保持较高的强度又能大幅度提升材料的抗热震性能。

超高温陶瓷的研究进展

超高温陶瓷在极端环境中能够保持稳定的物理和化学性质,被认为是高超声速飞行器和大气层再入飞行器鼻锥和前缘最有前途的候选热防护材料。本文系统评述了超高温陶瓷(主要是过渡金属硼化物、碳化物和氮化物)在粉体合成、致密化、力学性能等方面的研究进展。对超高温陶瓷研究中存在的一些问题作出初步总结,希望对超高温陶瓷的进一步研究和应用起到积极的推动作用。

超高温陶瓷前驱体合成研究进展

耐超高温陶瓷基复合材料是一类可经受超高音速长时间、跨大气层飞行和再入等极端环境的新型热防护材料,超高温陶瓷前驱体是其关键基础原材料。目前,超高温陶瓷前驱体已经从溶胶凝胶路线发展到聚合物路线,从单独氧化物陶瓷发展到碳化物、硼化物和氮化物等多种陶瓷种类,从纯相陶瓷发展到多元复相陶瓷,这些研究结果有力支撑了应用部门的研制工作。综述了近年来国内外在超高温陶瓷前驱体制备及陶瓷化过程表征领域的研究进展。面向未来,超高温陶瓷前驱体研究将向无氧前驱体路线和多元复相前驱体方向发展,并逐步完善前驱体和陶瓷产物的评价表征体系。