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。

C/C基体上ZrB_(2)/SiC复合涂层的抗烧蚀性增强方法

研究高压热流场景下,在碳/碳(C/C)基体表面ZrB_(2)/SiC复合涂层的抗烧蚀性增强方法.在等离子体喷涂ZrB_(2)/SiC复合涂层表面,采用CH3SiCl3-H2-Ar系统,化学气相沉积(CVD)-SiC密封层.对ZrB_(2)/SiC涂层与CVD-SiC密封层的结构演化、烧蚀性能与烧蚀机理进行了研究.结果表明:CVD-SiC密封层增强的ZrB_(2)/SiC复合涂层经过两个600 s循环烧蚀后,仍然具备抗烧蚀性能,表面CVD-SiC由β相向α相转化.CVD-SiC密封层填充了等离子喷涂ZrB_(2)/SiC复合涂层的空隙,限制了氧沿着涂层裂纹和孔洞向C/C基体扩散,进而提高了抗烧蚀性.

C/C复合材料超声辅助磨削孔加工质量控制研究

为提高C/C复合材料孔加工出口边缘表面质量,以孔出口损伤因子S_(d)值(孔出口端面损伤面积与加工后理想孔面积之比)作为孔出口质量评价指标,利用单因素及正交试验方法优化磨削工艺参数,分析孔出口边缘磨削机理并提出孔出口损伤抑制策略。结果表明,当主轴转速为12000~14000 r/min,进给速度为5~7 mm/min,超声波振幅为8~9μm时,可将S_(d)值控制在4.723×10^(-3)以内。采用孔损伤抑制策略后,S_(d)值可进一步降低61.6%。此外,C/C复合材料在超声辅助磨削加工下的S_(d)值随主轴转速和超声波振幅的增加先减小后增大,随进给速度的增加逐渐增大;在保证进给速度最优时,适当提高主轴转速及超声波振幅有助于改善孔出口表面质量,并可提高加工效率。采用在临近孔出口时降低进给速度、使用刀具侧壁对孔出口进行光磨及在工件下方加设辅助支撑的策略可进一步降低孔出口损伤。

三维四向C/C预制体压实规律与高精度控制策略研究

为实现预制体层间密实度均匀可调控,保证预制体产品质量一致性,基于胡克定律建立压实理论模型对不同截面尺寸预制体压实规律进行研究,揭示了压实载荷与压实次数的关系:在压实次数小于疲劳次数阶段,预制体受到的压实载荷随压实次数呈线性变化;在压实次数大于等于疲劳次数阶段,预制体受到的压实载荷不再随压实次数增加而发生变化;同时在编织不同截面尺寸预制体时,xoy截面积呈倍数增加,预制体受到的压实载荷近似呈倍数增长。基于三维四向C/C复合材料预制体成型工艺,建立预制体编织层数、压实厚度与纤维体积含量映射关系,并通过该映射关系进行不同截面尺寸预制体编织实验,得到压实载荷与厚度的变化曲线,其实验值与拟合值的最大偏差率小于3%,验证了理论模型的可行性。根据压实规律理论模型设计出压实装置双闭环控制系统,在该系统中预先设定映射关系所对应的厚度与压力值,在压实过程中借助传感器将采集到的厚度与压力值反馈至控制器,控制器根据偏差值控制压实装置输出值。最后通过观察其所编预制体截面,发现该预制体孔隙小而均匀,验证了该控制系统可输出最优压力值,能够保证预制体层间密实度均匀及产品质量的一致性。

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。

SiC-ZrC复相超高温陶瓷改性C/C复合材料的研究进展

SiC-ZrC复相超高温陶瓷改性C/C复合材料的制备工艺原理与单一陶瓷相改性C/C复合材料的工艺原理基本相同,但SiC-ZrC复相陶瓷具有耐高温、温域宽(1600~2500℃)、抗氧化、工艺适应性好等优点,在测试和应用中表现出优异的力学性能和抗烧蚀性能,能够有效填补目前高温段热防护材料的空缺,因此已经成为C/C复合材料基体掺杂改性的重要选择,在航天飞行器防热领域极具应用潜力。本文针对C/C-SiC-ZrC复合材料的发展潜力和应用空间,从制备工艺、结构特征以及性能特点三个方面综述了C/C-SiC-ZrC复合材料当前的研究进展,分析了制备工艺对复合材料微结构和性能的影响规律,提出了基于工程应用C/C-SiC-ZrC防热材料的发展建议。

C/C-HfC复合材料的抗烧蚀性能

以无机铪溶液为前驱体,采用化学气相渗透法(CVI)和前驱体浸渍裂解法(PIP)制备密度为2.14 g/cm^(3)的C/C-HfC复合材料,分析其微观结构和组成,测试材料的抗烧蚀性能。结果表明:HfC陶瓷均匀地分散于基体的孔隙中,且与基体结合紧密。引入HfC陶瓷可以显著增强C/C复合材料的抗烧蚀性能。在相同的热流条件下,烧蚀时间为120 s时,C/C-HfC复合材料的线烧蚀率为6.20×10^(-2)mm·s^(-1),质量烧蚀率为2.03×10^(-2)g·s^(-1),分别比C/C复合材料降低了48.33%和40.12%。在烧蚀过程中,HfC会与热流中的氧气反应生成熔融的HfO_(2),均匀地覆盖在基体的表面形成保护层,隔绝热流,防止基体被氧化,同时阻止热量的传递。熔融HfO_(2)的蒸发也会带走表面的部分热量。随着烧蚀时间的增加,HfO_(2)的损耗会逐渐上升,基体表面的保护层会逐渐被破坏,热流对基体产生的烧蚀损伤会更为严重。

ZrB_(2)超细粉体改性C/C-SiC-ZrC复合材料的微观结构和烧蚀性能

为进一步提升C/C-SiC-ZrC复合材料的抗烧蚀性能,采用反应熔渗法(reactive melt infiltration,RMI)制备ZrB_(2)超细粉体改性C/C-SiC-ZrC复合材料,考察ZrB_(2)超细粉体含量对改性复合材料的微观结构和烧蚀性能的影响。研究结果表明:相较于未改性的C/C-SiC-ZrC复合材料,ZrB_(2)超细粉体的引入使C/C-SiC-ZrC复合材料的密度由2.25 g/cm^(3)增至2.40~2.48 g/cm^(3);ZrB_(2)主要分布在ZrC基体中,且分布均匀;ZrB_(2)超细粉体的添加显著提升了复合材料的抗烧蚀性能;电火花等离子体烧蚀120 s后,当ZrB_(2)超细粉体摩尔分数为2%时,复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率最低,分别为6.90 mg/s和2.26μm/s;在烧蚀过程中,氧化生成的ZrO_(2)黏附在材料表面,与具有一定流动性的SiO_(2)形成龟壳状的ZrO_(2)-SiO_(2)氧化层,该氧化层减少了烧蚀过程中等离子体向基体的扩散和热传递,有效提升了改性复合材料的抗烧蚀性能。

C/C三维纺织复合材料细观结构及力学性能研究进展

C/C三维纺织复合材料因其可设计性强、力学性能优异和耐高温等特点而被广泛地应用于航空航天、轨道交通和光伏热场等高温端部件。然而,C/C三维纺织复合材料内部纱线结构复杂且孔隙率高,呈现出高度各向异性和非均匀性,这些因素都会给力学性能及损伤机制揭示带来巨大困难。因此,本工作从实际应用出发,围绕C/C三维纺织复合材料,从细观重构、力学性能表征和数值模拟三个方面阐述近几年的国内外研究现状,并在此基础上重点对C/C三维纺织复合材料结构功能一体化制备、深度学习模型的发掘和高温实验环境下渐进损伤实验平台的搭建做出了展望。

沉积热解炭与树脂炭比例对C/C-SiC复合材料弯曲强度的影响

以针刺整体炭毡为坯体,采用树脂浸渍和化学气相沉积混合的方法制备得到相同密度的C/C多孔体,采用熔硅浸渗(RMI)制得C/C-SiC复合材料。研究了沉积热解炭与树脂炭比例对基体显微结构及弯曲性能的影响。结果表明:随着沉积得到的沉积热解炭含量增加,C/C-SiC复合材料基体内部孔隙率先降后升,而密度、弯曲强度先增后减。当沉积热解炭与树脂炭的比例为1∶1时,C/C-SiC复合材料密度与弯曲强度最高,分别达到2.03 g/cm^(3)和240 MPa。

C/C复合材料在超声速富氧烧蚀环境下的烧蚀试验方法研究

利用氧/煤油液体火箭发动机设计原理,构建了烧蚀热环境可控的内流场超声速富氧烧蚀试验方法,并采用烧蚀发动机点火试验与CFD数值模拟相结合的方法,对所构建的烧蚀试验方法及数学模型的可靠性进行分析与验证,并进一步分析了烧蚀试验过程中的关键烧蚀热环境特性参数。然后,对三维四向编织C/C复合材料在超声速富氧烧蚀环境下的耐烧蚀性能与烧蚀机理进行分析。研究表明,烧蚀热环境的变化会对材料的耐烧蚀性能及烧蚀机制产生一定程度的影响,在收敛段高温、低速的烧蚀热环境下,C/C复合材料的线烧蚀率相对较低,约6.50×10^(-3) mm/s,材料的烧蚀以热氧化烧蚀为主;在烧蚀试样喉部直段区域,C/C复合材料的线烧蚀率逐渐增加,达到了1.35×10^(-2) mm/s,此时,材料的烧蚀体现为热氧化烧蚀后的机械剥蚀;在烧蚀试样扩张段区域,燃气速度急剧增加后,C/C复合材料的线烧蚀率显著增加,在试样出口达到了2.61×10^(-2) mm/s,材料的烧蚀主要体现为机械剥蚀。

高温热处理对C/C复合材料组织结构和拉伸性能的影响

为了缓解C/C复合材料的脆性,使用自制的热梯度化学气相沉积(TG-CVI)设备对单向碳纤维预制体进行致密化,制备得到致密的C/C复合材料。通过高温热处理调节界面的结合强度和基体碳的石墨化程度,利用排水法测试复合材料的密度,万能材料试验机测试其拉伸性能,采用可视化石墨烯片层技术(VGT)对试样进行处理,使用偏光显微镜(PLM)、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)分别研究复合材料的微观组织、界面和断面形貌、以及物相组成。结果表明,在相同沉积条件下,热处理后的C/C复合材料碳基体的石墨化程度提高,界面结合强度下降,拉伸性能下降。但复合材料最初的脆性断裂向拟延性转变,延伸率提高。

C/C复合材料表面低红外发射率薄膜研究

为降低C/C复合材料的红外发射率,同时提升其在高于400℃时的抗氧化性能,在C/C复合材料表面制备抗氧化涂层以提高其高温使用寿命。首先采用涂刷法在C/C复合材料表面制备SiC-玻璃复合抗氧化涂层,并在抗氧化涂层表面通过磁控溅射制备低红外发射率Ir薄膜。然后,系统探索并优化了抗氧化涂层和低红外发射率Ir薄膜的制备工艺,并探究了高温氧化行为对涂层红外发射率的影响。结果表明:固定溅射功率为100 W、溅射气压为1.2 Pa、靶基距为65 mm、基底温度为240℃时,在SiC-玻璃复合抗氧化涂层表面制备的低红外发射率Ir薄膜,在1 100℃下氧化1 h后,在3~5μm和8~14μm的红外发射率仍能保持0.1以下。

针刺C/C复合材料多尺度损伤分析

建立带有针孔区域的针刺C/C复合材料多尺度模型,结合混合率公式和周期性边界条件,计算各组分材料的弹性力学参数和针刺单胞模型的平均弹性参数;基于协同多尺度方法,采用关键区域应力-应变放大因子实现多尺度信息传递,并结合相应的失效准则,实现针刺C/C复合材料的多尺度损伤分析。

ZrC纳米粉体改性C/C-SiC复合材料的微观结构和烧蚀性能

为改善C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能,以ZrC纳米粉体和Si粉为反应渗料,采用反应熔渗(reactive melt infiltration,RMI)法制备ZrC纳米粉体改性C/C-SiC复合材料。采用X射线衍射仪、扫描电镜和能谱仪等研究ZrC纳米粉体含量对C/C-SiC复合材料微观结构和烧蚀性能的影响。结果表明:随ZrC纳米粉体含量增加,复合材料的孔隙率增大,而密度变化不大。ZrC纳米粉体一部分弥散分布在SiC基体中,一部分则发生了团聚。烧蚀30 s后,ZrC纳米粉体摩尔分数为6%时,复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率最低,分别为2.0 mg/s和3.9μm/s。随ZrC纳米粉体含量增加,烧蚀过程中形成的ZrO_(2)含量增多,对SiO_(2)的钉扎作用明显增强,能有效提升C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能。

用于钎焊C/C复合材料的稀土改性还原氧化石墨烯增强AgCuTi复合钎料

为了解决钎焊接头中脆性化合物的形成问题,我们设计了一种创新性的稀土改性还原氧化石墨烯增强AgCuTi复合钎料,进而获得了以Ag-Cu共晶为主要组织且脆性化合物生成量合适的钎焊接头。对比分析了有无稀土Ce改性的复合钎料的成分和显微组织,结果表明,经Ce改性后的还原氧化石墨烯在钎料中更加均匀分散。比较了分别采用有无Ce改性的钎料钎焊C/C复合材料-C/C复合材料接头的界面微观结构,并研究了石墨烯含量对接头组织和性能的影响。结果表明,由于经Ce改性的钎料中的还原氧化石墨烯分散性更好,从而细化了焊缝组织,且物相分布更均匀,使得接头的剪切强度明显提高。当石墨烯含量为0.5 wt.%时,使用Ce改性的钎料所得钎焊接头的平均剪切强度最高,为31.82 MPa,提高了50%。

镍/钼复合中间层钎焊连接C/C复合材料和304不锈钢

本文使用在BNi-2或AgCuTi箔片钎料中添加金属中间层(Ni、Mo或Ni/Mo)的方法有效提高了C/C复合材料和304不锈钢真空钎焊接头的强度,并先后对接头的微观结构、连接机理和力学性能进行分析。分析表明,BNi-2+Ni/Mo接头的微观结构包括Cr_(3)C_(2)、Ni(s,s)、Cr_xNi_(y)+MoNi_(4)、MoNi_(4)+Cr_(x)M_(y)和Ni(s,s)+Cr-Fe;AgCuTi+Ni/Mo接头的界面则由TiC、Ag(s,s)+Cu(s,s)、Ni、Ag(s,s)+Cu(s,s)+MoTi、Mo和MoTi+Cu(s,s)+Ag(s,s)构成。有限元模拟结果表明,AgCuTi钎料加持下的镍/钼复合中间层能够有效缓解C/C母材与焊缝界面间的残余应力。室温下BNi-2+Ni/Mo、AgCuTi+Ni、AgCuTi+Mo和AgCuTi+Ni/Mo钎焊接头的平均剪切强度分别为2.57 MPa、10.91 MPa、23.81 MPa和26.77 MPa,有效验证了有限元结果的可靠性。

C/C复合材料高熵氧化物涂层抗烧蚀性能

新一代高超声速飞行器热端部件服役温度不断提高,对表面防护涂层的相稳定性和抗烧蚀性能提出了更高的要求。本工作针对传统过渡金属氧化物ZrO_(2)、HfO_(2)涂层开展高熵化设计,采用高温固相反应结合超音速大气等离子喷涂制备(Hf_(0.125)Zr_(0.125)Sm_(0.25)Er_(0.25)Y_(0.25))O_(2-δ)(M1R3O)、(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Sm_(0.2)Er_(0.2)Y_(0.2))O_(2-δ)(M2R3O)、(Hf_(0.25)Zr_(0.25)-Sm_(0.167)Er_(0.167)Y_(0.167))O_(2-δ)(M3R3O)三种高熵氧化物涂层,探究稀土组元含量对高熵氧化物涂层的相结构演变规律、相稳定性以及抗烧蚀性能的影响。M2R3O涂层和M3R3O涂层呈现优异的相稳定性和抗烧蚀性能,涂层经热流密度为2.38~2.40 MW/m^(2)的氧–乙炔焰烧蚀后仍保持物相结构稳定,未发生固溶体分解或析出稀土组元。其中M2R3O涂层循环烧蚀180 s后的质量烧蚀率与线烧蚀率分别为0.01 mg/s和–1.16μm/s,相比M1R3O涂层(0.09 mg/s、–1.34μm/s)以及M3R3O涂层(0.02 mg/s、–4.51μm/s),分别降低了88.9%、13.4%以及50.0%、74.3%,表现出最优异的抗烧蚀性能。M2R3O涂层的抗烧蚀性能优异归因于其兼具较高的熔点(>2200℃)和较低的热导率((1.07±0.09)W/(m•K)),使其有效防护内部的SiC过渡层以及C/C复合材料免受氧化损伤,避免了界面SiO_(2)相形成所导致的界面开裂。

ISRO研发C/C复合材料喷嘴以提升火箭性能

ISRO(印度空间研究组织)最近研发了一种用于火箭发动机的轻质碳/碳(C/C)复合材料喷嘴,标志着火箭技术取得了重大突破。此项目由印度的VSSC(维克拉姆·萨拉巴伊空间中心)主导,希望通过C/C复合材料的应用提高火箭发动机的性能,如推力水平、比冲和推重比等参数,从而显著提升运载火箭的有效载荷能力。

闪光法测量C/C复合材料导热系数影响因素研究

C/C复合材料已在航空航天领域及原子能领域得到了广泛的应用,其工作温度可达1000℃以上。为对C/C复合材料导热系数进行测定,使用闪光法测定了C/C复合材料25℃至1000℃的热扩散系数和比热容,并对石墨喷敷、样品厚度、参比样品和修正模型的影响进行了研究。研究结果表明,为提高C/C复合材料热扩散系数测试准确度,样品应不喷敷石墨,测试结果使用渗射模型修正;为提高C/C复合材料比热容测试准确度,样品应均匀喷敷石墨,并使用石墨标准样品作为参比样品,测试结果使用Cowan模型修正。