仿生制备多孔ZrC/C复合陶瓷材料

以碳化后的梧桐木块作为碳模板,采用金属锆作为锆源,在KCl和KF的混合熔盐体系中制备了多孔ZrC/C复合陶瓷材料。研究了不同碳化温度对碳模板的显微形貌、显气孔率和体积密度的影响。并采用X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征了梧桐木的碳化过程以及复合材料的物相组成和显微形貌。结果表明:梧桐木的碳化分为有机物的热分解和石墨化两个过程;碳化后的梧桐木保留了多孔的特征结构,随着碳化温度的升高,碳模板显气孔率变大,体积密度减小;反应时间的延长有利于增强ZrC层与碳模板基体表面的结合力;KF的加入量需要严格控制,过量的KF会破坏复合材料的结构。

ZrC/C复合材料性能及微观结构的研究

通过向石墨材料中掺杂氧化锆 ,制备ZrC/C复合材料。较系统地研究了Zr的加入量对材料性能的影响。结果表明 :随着掺Zr量的增加 ,力学性能不断提高 ,在掺Zr量为 10 %时 ,材料的弯曲强度达最大值 ,而在掺Zr量为 7.5 %时 ,热导率达到最高 ;进一步研究表明 ,微观结构影响着材料的力学、热导率等宏观性质。

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。

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。

改性C/SiC-ZrC复合材料热化学烧蚀仿真研究

基于C/SiC复合材料基体改性制备超高温陶瓷基复合材料,是满足高超音速飞行器对热防护系统材料所需更高要求的有效途径。基于热化学平衡理论构建了C/SiC-ZrC复合材料的烧蚀模型,选取文献中相同制备方式下两组不同体积分数的C/SiC-ZrC复合材料,并利用MATLAB计算出两组材料的无量纲烧蚀率,然后在COMSOL多物理场分析软件中建立数值仿真,将仿真结果与文献实验结果进行对比,误差分别为8.7%~16.9%和1.05%~11.07%,验证了模型的有效性。

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。

烧蚀产物ZrO2对ZrC改性C/C复合材料烧蚀的影响

采用ZrOCl2溶液浸渍法把含锆组元引入碳纤维预制体,结合热梯度化学气相渗透、高温石墨化工艺制备了ZrC改性C/C复合材料.用氧-乙炔烧蚀测试材料的烧蚀性能,XRD测试材料烧蚀前后的物相组成,采用SEM观察材料的微观形貌.烧蚀结果表明:随着烧蚀次数的增加,若每次烧蚀后不去除ZrO2,材料的线、质量烧蚀率呈先增加后减小的趋势,最后趋于稳定;若每次烧蚀后去除ZrO2,材料的线、质量烧蚀率均呈增大的趋势.产物ZrO2的蒸发吸收了材料烧蚀表面的热量,减缓了火焰对烧蚀表面的冲蚀,材料的线烧蚀率减小,然而,ZrO2的蒸发会增加材料的质量损失速度,导致材料的质量烧蚀率增大.

预炭层对ZrC浸渍C/C复合材料微观结构和力学性能的影响

采用化学气相浸渗法在炭纤维表面制备出不同厚度的预炭层,以ZrOCl2溶液浸渍法将锆化物引入含预炭层的预制体中,经热处理、致密化和石墨化等工艺处理,制备出一种含预炭层的ZrC-C/C复合材料。借助X射线衍射仪、扫描电镜以及能谱等手段,对材料的微观结构进行表征,采用三点弯曲实验研究材料的力学性能,并探讨预炭层厚度对材料微观结构及其力学性能的影响。结果表明,当预炭层厚度为1.5-1.7μm时,复合材料的平均抗弯强度可达256.85 MPa,与不含预炭层试样相比,增加了67.01%;抗弯试样表现出脆性断裂模式;材料的抗烧蚀性能略有提高。

ZrC改性C/C-SiC复合材料的烧蚀性能研究

采用"化学气相渗透+先驱体浸渍裂解"(CVI+PIP)混合工艺,制备了ZrC改性C/C-SiC复合材料,研究了引入ZrC对改善C/C-SiC材料烧蚀性能的影响。结果表明,氧乙炔烧蚀600s后,C/C-SiC材料表面疏松,出现了大量孔洞;而同结构C/C-ZrC-SiC材料表面相对比较致密,被白色氧化物质覆盖,相比C/C-SiC材料,烧蚀率降低了一个数量级。C/C-ZrC-SiC材料氧化后形成了ZrO2-SiO2玻璃态熔融层,由于粘度较高,提高了与基体的粘附力,抵抗了氧乙炔气流的冲刷;而且熔融层能够有效降低氧化性气氛向材料内部扩散的速率,对于抑制材料的进一步氧化烧蚀起到了积极作用。

整体抗氧化C/C-ZrC-SiC复合材料的超高温烧蚀性能研究

以聚合有机锆与聚碳硅烷组成的共溶前驱体为原料,采用溶液浸渍?裂解(PIP)工艺制得了2D C/C-ZrC-SiC复合材料,对复合材料的超高温烧蚀性能进行了研究.利用SEM和XRD对烧蚀后材料的微观结构和物相组成进行分析,探讨了复合材料的抗烧蚀机理.结果表明,复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率随着ZrC含量的增加先减小后增大.其中ZrC含量为17.45vol%的复合材料具有最优的抗烧蚀性能,即在表面温度为2200℃,等离子焰烧蚀300s后,其质量烧蚀率仅为1.77mg/s,线烧蚀率为0.55μm/s.研究发现,材料表层的ZrC氧化生成的ZrO2溶于SiC氧化生成的SiO2中,形成粘稠的二元玻璃态混合物,有效阻止氧化性气氛进入基体内部,对抗超高温烧蚀起到协同作用.

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。

陶瓷前驱体配比对C/C-ZrC-SiC复合材料烧蚀性能的影响

采用聚碳硅烷和有机锆聚合物混合前驱体,通过反复浸渍裂解工艺制备了C/C-ZrC-SiC复合材料,分析了材料的组成与结构,研究了不同陶瓷前驱体配比对材料烧蚀性能的影响。结果表明,复相陶瓷基体由大量ZrC颗粒均匀弥散分布在连续SiC相中组成。随着ZrC含量的增加,C/C-ZrC-SiC复合材料的烧蚀率呈现先减小后增大的趋势。当聚碳硅烷与有机锆聚合物的配比(质量比)为1∶3时,ZrC体积含量约为13.3%,氧乙炔烧蚀600s后,C/C-ZrC-SiC复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率降至最低,分别为-0.0015mm/s和0.0002g/s。研究发现,高温氧化环境中,形成了粘稠的ZrO2-SiO2玻璃态氧化膜,有效降低了氧化性气氛向材料内部扩散的速率,对材料基体形成了较好的保护。

ZrC-C包晶固定点研制及评价

ZrC-C包晶固定点因其极高的名义相变温度(2882℃),超出了绝大多数高温加热炉的使用上限。通过改进自行设计的HT271型加热炉,使其工作温度上限提高到2900℃以上,满足了ZrC-C包晶固定点的使用要求。采用ZrC粉末和C粉末配置混合粉末,进行了ZrC-C包晶固定点的灌注和复现试验,共得到2组复现循环数据,其中第1次循环结果较为理想,拐点温度为2882.298℃,拐点不确定度为26.3 mK。经验证,改进后的HT271型加热炉能够在2900℃以上温度条件下稳定使用30 min左右。提出了下一步高温炉改进方案,以期延长HT271型加热炉在极高温条件下的稳定使用时间。

先驱体转化法制备2D C/SiC-ZrC复合材料中ZrC含量对材料结构性能影响研究

针对高超音速飞行器、可重复使用运载器和下一代火箭发动机等超高温使用环境的工况要求,提出在2D C/SiC复合材料中引入耐超高温ZrC填料。采用先驱体转化法制备了不同ZrC含量的2D C/SiC-ZrC新型复合材料,考察了ZrC含量对材料力学性能、抗烧蚀性能和组成结构的影响。结果表明,材料的弯曲强度和弯曲模量随着ZrC含量的增加有一定程度的下降,材料的抗烧蚀性能明显提高,其中ZrC含量最高(33.3vol%)的试样S-50弯曲强度和弯曲模量均最低,分别为192.1MPa和27.5GPa;经氧乙炔焰烧蚀考核60s后,表面温度达到2123℃,试样表现出最低的烧蚀率,线烧蚀率为0.004mm/s,质量烧蚀率为0.006g/s。

C/C-ZrC-Cu复合材料等离子喷涂W组织结构

在金属反应熔渗法(RMI)制备的C/C-ZrC-Cu复合材料上采用大气等离子喷涂法(APS)得到厚度为1.3 mm的W涂层。运用扫描电镜-能谱(SEM-EDS),X射线衍射(XRD)测试技术分析研究了等离子喷涂W与C/C-CuZr复合材料界面相组成。结果表明:C/C复合材料反应熔渗法采用Cu-48.9%Zr(摩尔分数)粉末制备出均匀的熔渗组织,这是因为Zr提高了Cu在1300℃的C/C复合材料中的润湿性,在熔渗过程中生成了正交晶系相Cu_(10)Zr_7。W涂层与C/C-ZrC-Cu复合材料的结合类型以扩散结合为主,其界面区内主要是W和C通过包晶反应生成WC扩散层,反应扩散层厚度约为10 um。

3维C/SiC-ZrC复合材料的制备及其性能研究

针对超高温环境应用需求,采用化学气相渗透工艺(CVI)与先驱体浸渍-裂解工艺(PIP)联用制备了3维碳纤维增强SiC-ZrC基复合材料(C/SiC-ZrC),并研究了SiC含量对C/SiC-ZrC复合材料力学性能、抗氧化性能和抗烧蚀性能的影响。结果表明,随着SiC含量的增加,C/SiC-ZrC复合材料的强度逐渐降低,静态抗氧化性能提高,在氧乙炔焰烧蚀环境下的质量烧蚀率和线烧蚀率先降低后增加。复合材料抗氧化性和抗烧蚀性的变化与氧化和烧蚀过程中生成的SiO2熔体有关。

反应熔渗制备C/C-HfC-SiC与C/C-HfC-ZrC-SiC复合材料对比研究

以C/C纤维预制体和Zr粉、Hf粉以及Si粉为原料,采用反应熔渗法制备了不同陶瓷相比例的HfC-SiC两元陶瓷与HfC-ZrC-SiC三元陶瓷改性C/C复合材料,采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)分析其形貌、成分和结构,对比了其微观结构与抗烧蚀性能,探讨了熔渗机理。结果表明,Si含量的增加有利于熔渗效果,但过量Si会降低烧蚀性能。当混合熔渗料中Si质量分数达到40%时,C/C-HfC-ZrC-SiC复合材料中细晶粒的ZrHfC固溶物分布最为均匀,有效提高了其抗烧蚀性能。烧蚀后,C/C-HfC-ZrC-SiC复合材料表面产生了一层完整致密的氧化层,而C/C-HfC-SiC复合材料表面形成了多孔的氧化层。HZS4(熔渗料中Hf,Zr和Si质量比为30∶30∶40)改性复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.08 mg·cm^(-2)·s^(-1)和-3.30μm·s^(-1),相比于HS4(熔渗料中Hf和Si质量比为60∶40)改性的复合材料,质量烧蚀率下降了46.7%。

2种C/C材料高温熔渗制备C/C-SiC-ZrC复合材料的力学性能

分别以针刺编织预制体(2.5D)和三维编织预制体(3D)为增强体,采用化学气相沉积结合高温熔渗工艺制备2种不同预制体结构的C/C-SiC-ZrC复合材料。利用X射线衍射仪,扫描电镜和能谱分析仪等测试手段,对材料的微观结构进行分析,采用三点弯曲实验和压缩实验研究材料的力学性能,得出不同预制体对最终复合材料断裂性能的影响规律。结果表明:材料中的SiC与ZrC呈偏聚态分布,2.5D复合材料的弯曲强度和压缩强度高达147.38 MPa,252.4 MPa;与3D复合材料相比,2.5D复合材料强度分别提高了192%和90.7%。这主要是由于2.5D复合材料纤维含量少,孔隙多,反应后密度较高所致。

新型含锆聚碳硅烷制备C/C-SiC-ZrC复合材料及烧蚀性能

目的提高C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能。方法通过交联固化-碳化工艺获得新型含锆聚碳硅烷(Polyzirconocenecarbosilane,PZCS)裂解产物。采用FT-IR、XPS、TG、XRD、SEM等分析手段表征PZCS先驱体基本结构和固化、裂解产物结构及元素分布等。以PZCS为溶液浸渍先驱体,通过PIP工艺制备得到C/C-SiC-ZrC复合材料,采用氧乙炔烧蚀试验表征其抗烧蚀性能。结果PZCS陶瓷先驱体经过交联固化工艺能够显著提高其陶瓷产率。TG结果表明,980℃时陶瓷产率达66.37%,所得陶瓷粉末为分散均匀的SiC-ZrC复相陶瓷。C/C-SiC-ZrC复合材料经过氧乙炔试验烧蚀600s后,其线烧蚀率为0.0067mm/s,表现出良好的抗烧蚀性能。结论SiC-ZrC复相陶瓷基体烧蚀过程中,氧化形成SiO2和ZrO2等氧化物涂层,氧化物隔离层能够隔离氧气和热量,阻止其向复合材料内部进一步扩散,可有效提高复合材料烧蚀性能。

C/C-ZrC复合材料高温氧乙炔焰烧蚀性能及机理研究

采用基体改性技术将ZrC引入C/C复合材料中,制备了一种新型的C/C-ZrC复合材料。通过氧乙炔焰烧蚀实验,研究了ZrC含量及烧蚀时间对C/C-ZrC复合材料高温耐烧蚀性能的影响。用XRD和TEM对烧蚀后材料的相组成和微观结构进行了分析,结果表明,ZrC被氧化的主要生成物为ZrO2,伴有少量ZrC和C,含26.46%ZrC的C/C-ZrC复合材料,在氧乙炔焰烧蚀50 s后,在材料表面生成致密的ZrO2膜,阻挡了氧对基体的扩散,并有隔热作用,有效保护复合材料被烧蚀和冲刷。实验表明,复合材料在高温氧乙炔焰烧蚀20 s后,线烧蚀率和质量饶蚀率分别为0.012 mm/s和0.003 3 g/s,比C/C复合材料分别降低7.6%和50%。