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.

Preparation and oxidation property of ZrB_2-MoSi_2/SiC coating on carbon/carbon composites

To improve the oxidation resistance of carbon/carbon composites,ZrB2-MoSi2/SiC coating on the carbon/carbon substrate was prepared.The inner coating of SiC was prepared by pack cementation and the outer coating of ZrB2-MoSi2 was prepared by slurry painting.The phase compositions and microstructures of the coating were characterized by XRD and SEM,respectively.The preparation and the high temperature oxidation property of the coated composites were investigated.The results show that the outer coating of carbon/carbon composites is composed of ZrB2,MoSi2 and SiC phases.The mass losses of the ZrB2-MoSi2/SiC coated samples with SiC nano-whiskers after 30 h and 10 h of oxidation at 1 273 K and 1 773 K were,respectively,5.3% and 3.0%.The ZrB2-MoSi2/SiC coated samples exhibit self-sealing performance and good oxidation resistance at high temperature.

无压烧结硼化锆基ZrB_2-SiC复相陶瓷的结构与性能

以钇铝石榴石-YAG为烧结助剂,通过无压烧结制备了ZrB2-SiC复相陶瓷。研究了烧结助剂含量对烧结材料力学性能和显微结构的影响,材料的显微结构由扫描电镜SEM及其能谱分析EDS测定。研究结果表明,烧结助剂(YAG)和原料中的杂质形成玻璃相填充在晶界上,显著促进了硼化锆基ZrB2-SiC复相陶瓷的致密化。

烧结温度对ZrB_2-SiC超高温陶瓷致密化的影响

利用放电等离子烧结技术(SPS)在不同的烧结温度下对ZrB_2-SiC超高温陶瓷进行烧结,研究了烧结温度对烧结体致密化的影响。结果表明,在烧结温度分别为1650℃、1750℃、1850℃和1950℃,升温速度为200℃/min,保温时间为1 min,压力为50 MPa时,随着烧结温度的提高,烧结体的致密度呈上升趋势。当烧结温度高于1850℃时,烧结体的致密化过程明显加剧;通过对不同烧结温度下制得的试样的XRD谱图分析发现.当温度高于1850℃时ZrB_2-SiC陶瓷中的SiC相会发生3C相到4H相的转变,这可能就是当烧结温度高于1850℃时烧结体致密度会急剧上升的原因。

ZrB_2-SiC陶瓷的注浆成型与无压烧结

研究了以聚乙烯亚胺(PEI)为分散剂,ZrB2粉体在水相中的分散性能.结果显示ZrB2的等电点在pH为5.7,加入PEI后的等电点移到pH为11.5.以PEI为分散剂,在pH为8.0处制备了固含量达45vol%的ZrB2-20vol%SiC陶瓷浆料.采用注浆成型方法制备了相对密度为53%的ZrB2-SiC陶瓷坯体,并对其进行了无压烧结,同时研究了硼粉为烧结助剂对其致密化及性能的影响.结果表明:硼粉为烧结助剂,实现了ZrB2-SiC陶瓷的完全致密化的同时,也降低了ZrB2-SiC陶瓷的烧结温度,2100℃烧结3h后的陶瓷维氏硬度为(17.5±0.5)GPa,弯曲强度为(406±41)MPa,断裂韧性为(4.6±0.4)MPa·m1/2.

ZrB_2-20%SiC超高温陶瓷抗热震性能研究

采用放电等离子烧结工艺在1850℃烧结温度、升温速度200℃/min、保温3min、压力50MPa条件下制备了ZrB_2-20%SiC(体积分数,下同)超高温陶瓷材料。通过不同温度下单次和5次重复热震(水淬试验)后测试材料的残余强度来评价ZrB_2-SiC陶瓷材料的抗热震性能,通过SEM分析研究材料的热震损伤机制。研究结果表明,随着热震温度的提高,ZrB_2-SiC材料热震后的残余强度逐渐降低,但1400℃热震后形成的玻璃相,对裂纹有修补、愈合的作用,提高了试样的残余强度。单次热震的损伤机制主要是微裂纹的产生。5次热震后试样的残余强度与相同温度下的单次热震相比要低很多,5次热震的损伤机制是氧化和微裂纹的共同作用。ZrB_2-SiC材料的抗热震试验结果显示了该材料具有优异的抗热震性能。

ZrB_2-SiC复相陶瓷的制备及其耐热冲击性能的研究

以Zr-B2O3-Mg为反应体系,利用自蔓延高温合成法(SHS)制备ZrB2粉体。分别在反应前和反应后掺入(体积分数)20%SiC,利用放电等离子烧结技术(SPS)制备ZrB2-SiC超高温陶瓷。采用SEM观察显微组织,利用阿基米德法测定密度,用氧炔焰进行热冲击试验。结果表明:与在自蔓延生成ZrB2后再掺入SiC的粉体相比,在自蔓延体系中直接掺入SiC粉体能够改善SiC的烧结活性及分散均匀程度,从而使相同烧结工艺下制备的ZrB2-SiC复相陶瓷具有较高的致密度和更好的抗热冲击性能。

等离子喷涂制备ZrB_2-SiC涂层及其抗氧-丙烷焰流烧蚀性能

为提高C/C复合材料的抗高温烧蚀性能,利用大气等离子喷涂技术在C/C复合材料表面制备ZrB_2-SiC复合涂层,并对其进行抗高温氧-丙烷焰流烧蚀试验。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析仪(EDS)对涂层的物相成分、微观形貌等进行检测分析。结果表明:大气等离子喷涂能在C/C复合材料表面制备出均匀致密的ZrB_2-SiC复合涂层,涂覆有ZrB_2-SiC涂层的C/C复合材料分别承受1 600、1 700和1 800℃的氧-丙烷焰流烧蚀300 s后依次增重0.63%、0.76%和0.71%,而烧蚀600s后试样质量烧蚀率分别为9.42×10^(-5)、2.04×10^(-4)和1.04×10^(-3)g/s。ZrB_2-SiC涂层显著提高了C/C复合材料的抗烧蚀性能,涂层氧化生成的玻璃态SiO_2能有效填充孔隙。直到SiO_2耗尽,涂层烧蚀后的孔洞成为环境中的氧进入基体的通道,导致基体烧蚀。

SPS烧结ZrB_2-SiC复合陶瓷的力学性能

用放电等离子体烧结(SPS)制备了ZrB2-30%SiC复合陶瓷材料,在万能力学试验机上测试陶瓷材料的弯曲强度和断裂韧性,用SEM观察陶瓷材料的断口形貌,并分析材料的断裂机制。结果表明ZrB2-SiC复合陶瓷的弯曲强度为743MPa,断裂韧性为6.5MPa·m1/2;断裂机制主要是沿晶断裂和穿晶断裂的混合机制。

ZrB_2-SiC的制备方法和性能研究

由于在极端环境中的优异物理化学性能,ZrB2基超高温陶瓷材料成为未来空天领域最具前途的候选材料之一,尤其是ZrB2-SiC材料近几年更成为研究热点。本文对ZrB2-SiC材料的制备、烧结致密化和力学性能等研究做了综合评述,重点对制备方法与使用性能间的关系进行了相关介绍。

ZrB_2-SiC/C层状复合陶瓷的高温氧化行为

利用流延法成膜和热压烧结工艺制备出了ZrB2-SiC层和石墨层交替排列、层厚均匀、界面清晰的ZrB2-SiC/C层状复合陶瓷。采用循环氧化法对ZrB2-SiC和ZrB2-SiC/C层状复合陶瓷在1000℃及1300℃空气中的氧化动力学曲线进行了研究。结果表明:在1000℃氧化增重时,ZrB2-SiC/C层状复合陶瓷在氧化反应初期表现为氧化增重,随着时间的增加,表现为氧化减重。在1300℃时,ZrB2-SiC/C层状复合陶瓷由于基体层ZrB2-SiC和弱夹层石墨相的氧化规律的相互叠加,使得其氧化增重曲线表现为抛物线规律。由XRD分析及扫描电镜观察发现,1300℃氧化15 h后,试样中不存在弱夹层石墨相,由于石墨相的挥发,材料残留孔隙。

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。

PIP工艺对2DC／SiC-ZrB2复合材料结构和力学性能的影响

采用CVI结合SI及PIP工艺制备2D C/SiC-ZrB2复合材料。研究了PIP工艺中循环浸渍次数及热处理对复合材料结构和力学性能的影响。比较了多孔C/SiC浸渍浆料后用PIP结合CVI致密化和仅用CVI致密化的效果。结果表明:浸渍裂解后,热处理温度相同,热处理次数对复合材料的开孔率和弯曲强度影响不大。2D C/SiC-ZrB2复合材料的弯曲强度不随PIP次数的增多而增加,PIP处理二次后,复合材料的强度逐渐增加,PIP处理五次,强度达到最大值,制备的复合材料开孔率为8.0%、弯曲强度为423 MPa。SI后用PIP结合CVI致密化比仅用CVI致密化效果好。

等离子喷涂制备ZrB_2-SiC复合涂层及其静态烧蚀性能

目的提高C/C复合材料的抗静态烧蚀性能。方法利用大气等离子喷涂技术在C/C复合材料表面制备ZrB_2-SiC复合涂层,对其进行1500℃的静态烧蚀实验。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析仪(EDS)对涂层的物相成分、微观形貌等进行检测分析。结果采用大气等离子喷涂制备的ZrB_2-SiC涂层是由熔融的粉末粒子紧密堆积而成,呈现典型的层状结构,涂层均匀完整地覆盖于C/C基体表面,厚度约为200μm。涂覆有ZrB_2-SiC复合涂层的C/C复合材料试样在1500℃分别氧化2,3,4 h后,试样依旧保持完整,C/C基体未遭受损伤,试样的质量增加率依次为3.39%,2.95%,4.25%。结论采用大气等离子喷涂技术能够在C/C复合材料表面制备出厚度均匀、结构致密的ZrB_2-SiC复合涂层,ZrB_2-SiC复合涂层使C/C复合材料的抗静态烧蚀性能显著提高。

ZrB_2-SiC前缘构件气动加热及热应力的数值模拟分析

分别采用有限差分法和有限单元法对ZrB2-SiC前缘构件高超声速气动加热过程及其内部热应力进行了数值模拟,并以电弧风洞地面模拟实验对计算结果进行了验证.计算结果表明,飞行马赫数为6、总温2375K、总压4.41MPa、结构前缘半径为0.125mm时,5s时驻点温度达1870K,内部最大热应力达1240MPa,这将导致服役过程中材料失效.电弧风洞实验结果表明,5s时驻点温度达2175K,材料前缘因承受的应力超过其弯曲强度而断裂.计算结果与风洞实验结果吻合较好.

浆料浸渍法制备C/C-SiC-ZrB_2超高温复合材料及其烧蚀性能研究

采用浆料浸渍法引入ZrB2微粉作为耐超高温相,以炭纤维为增强体,以热解炭和SiC为基体,制备了ZrB2含量不同的耐超高温C/C-SiC-ZrB2复合材料;通过电弧风洞考核材料的抗烧蚀性能,通过XRD、SEM和EDS分析材料的烧蚀机理。结果表明:在Ma 6电弧风洞条件下,C/C-SiC-ZrB2复合材料的抗烧蚀性能优于C/C-SiC,且随着ZrB2含量的增加,抗烧蚀性能随之提高;在高温阶段形成的ZrO2-SiO2玻璃态熔融层起到了抗氧化烧蚀的作用。

C/C-SiC-ZrB_2多元炭陶复合材料烧蚀性能

采用化学气相渗透与先躯体浸渍裂解混合工艺(CVI+PIP),研制了C/C-SiC-ZrB2多元炭陶复合材料,采用化学气相沉积技术(CVD),对所研制的复合材料进行了涂层封孔。采用热力学分析与电弧风洞试验,并借助扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射分析(XRD)等手段,研究了其抗烧蚀性能和烧蚀机理。结果表明,ZrB2含量较高的C/C-SiC-ZrB2复合材料具有优异的抗烧蚀性能,经历Ma=6,600 s电弧风洞考核后,线烧蚀率仅为1.0×10-4mm/s。C/C-SiC-ZrB2复合材料的烧蚀包括氧化、挥发(或升华)和机械冲刷,是热/力/化学耦合作用的结果。

C_f/ZrB_2-SiC复合材料的制备及抗热冲击性能

采用前驱体转化法制备Cf/ZrB2-SiC复合材料,对材料的热物理和热震性能进行了研究。采用扫描电镜和X射线衍射分析材料的微观结构及物相变化。结果表明:复合材料在1 700℃热震循环10次材料保持完整,表现出了良好的抗热震性能。通过微观结构分析,高温氧化后生成的多孔SiO2氧化层能够吸收热应力,缓解因热震带来的巨大温度差,ZrB2组元的加入有效地提高了材料抗热震性。

SiC含量对ZrB_2-SiC/MgO-C低碳复合耐火材料性能的影响

以镁砂、鳞片石墨和ZrB_2-xSiC(x为0,20%,40%,60%,80%,100%,质量分数)复合粉为原料,经成型、干燥、固化和不同温度(1 373,1 673K)保温3h热处理后,制备得到ZrB_2-SiC/MgO-C低碳复合耐火材料,研究了SiC含量对该耐火材料物理和力学性能的影响.结果表明:随SiC含量的增加,固化后复合耐火材料的体积密度和常温抗折强度先增大后减小再略有增大,耐压强度则波动性降低,当SiC质量分数为20%时,复合耐火材料的常温性能最佳;在1 673K保温3h热处理后,复合耐火材料的抗折强度随温度的升高呈先增大后减小的变化趋势,当SiC质量分数为20%时,不同温度下的抗折强度均达到最大;SiC含量的改变对不同温度下的载荷和位移关系影响较小,复合耐火材料的塑性变形开始温度为873~1 073K,断裂温度均为1 673K.

2D C/SiC-ZrB_2复合材料的烧蚀性能

用ZrB2微粉对2D C/SiC基体进行改性,研究了化学气相渗透结合浆料浸渍及先驱体浸渍裂解工艺制备2DC/SiC-ZrB2复合材料在氧-乙炔焰和1800℃甲烷风洞环境中的烧蚀行为。结果表明:在氧-乙炔环境中,2D C/SiC-ZrB2的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为6.1×10-2mm/s和1.0×10-2g/s,相对2D C/SiC复合材料而言,ZrB2微粉并没有提高C/SiC复合材料的抗烧蚀性能。在1800℃甲烷风洞环境中,涂层致密度起主要作用,涂层致密度相同时,复合材料的开气孔率越大,质量烧蚀率越大,ZrB2微粉的渗入对C/SiC复合材料的烧蚀性能影响不大。