C_f/ZrC-SiC复合材料抗氧化性能及机理分析

采用有机前驱体转化法制备C f/ZrC-SiC复合材料,探讨其抗氧化性能及机理,研究界面、氧化时间及氧化温度对材料抗氧化性能的影响。结果表明,有PyC沉积层的复合材料的抗氧化性能最好,纤维表面的玻璃相明显较多,能更好地保护纤维不被氧化;随着氧化时间(10 min、15 min和30 min)和氧化温度(1 500℃、1 600℃和1 700℃)的增加,玻璃相逐渐增加,材料表面被氧化形成的ZrO2和SiO2覆盖,能阻止外部氧的进入,提高材料的抗氧化性能。

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.

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。

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%。

PIP法制备C/ZrC-SiC复合材料工艺与性能研究

为了提高超高温陶瓷基复合材料的力学性能和耐烧蚀性能,本文采用前驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备了C/ZrC-SiC复合材料,研究了锆硅一体化陶瓷前驱体(ZS)的固化-裂解工艺对C/ZrC-SiC复合材料性能的影响。结果表明:前驱体的裂解温度对复合材料的力学性能影响较大。较高的裂解温度会损坏碳纤维,导致力学性能降低;较低的裂解温度会使碳热还原反应不充分,基体氧含量较高,结构疏松,导致力学性能下降;制备的C/ZrC-SiC复合材料通过了2 850 K的电弧风洞试验考核后线烧蚀率为8.75×10^-4mm/s,呈现出优异的耐烧蚀性能。

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。

聚合物浸渍裂解法制备C/C-ZrC-SiC复合材料的氧化行为及抗烧蚀性能研究

采用热梯度化学气相渗透和聚合物浸渍裂解法制备了ZrC-SiC改性C/C复合材料（C/C-ZrC-SiC），借助SEM、XRD等手段研究了该复合材料的微观形貌与相组成，并对其在1 500 ℃恒温静态空气环境、室温至1 400 ℃变温过程的氧化行为以及氧乙炔抗烧蚀性能进行了研究。结果表明：室温~1 400 ℃动态氧化时C/C-ZrC-SiC复合材料出现增重→缓慢失重→剧烈失重→稳定4个过程；在1 500℃ 静态氧化时，C/C-ZrC-SiC出现增重→缓慢失重→动态稳定→剧烈失重→稳定5个过程。ZrC和SiC优先氧化分别生成ZrO2骨架和SiO2玻璃层包裹基体和碳纤维，一定程度上减缓了基体和碳纤维的氧化。经过1 200 s氧乙炔烧蚀，材料线烧蚀率和质量烧蚀率分别为9.27×10^-4 mm·s^-1和6.67×10^-4 g·s^-1。在烧蚀过程中，试样表面能形成一个ZrO2外层/SiO2内层的双层结构保护膜。ZrO2骨架层能减缓烧蚀火焰对材料内部的热力学和热化学烧蚀，而致密的SiO2层能够弥合材料的裂纹、孔洞等缺陷，阻挡有氧气氛进一步进入材料内部，使材料表现出优异的抗烧蚀性能。

Fe含量对Fe_(x)Si_(y)改性C/C-ZrC-SiC复合材料的显微结构和烧蚀性能的影响

为了改善C/C-ZrC-SiC复合材料的烧蚀性能,采用反应熔渗法(RMI)在1850℃制得一种新型耗散防热Fe_(x)Si_(y)改性C/C-ZrC-SiC复合材料,并研究熔渗母料中Fe含量的变化对该复合材料显微结构和烧蚀性能的影响。结果表明:随着熔渗母料中Fe含量的升高,复合材料的密度呈现先降低后增加的趋势。当Fe含量超过6%(摩尔分数)时,沿垂直无纬布方向,复合材料中出现独立于SiC和ZrC之间的Fe_(x)Si_(y)C固溶相,其相含量随Fe含量的升高而增多;沿平行无纬布方向,复合材料中发现众多以灰色Fe_(x)Si_(y)C相间隔的“团粒型”排布的ZrC相,其粒径约为10μm。通过对不同Fe含量的Fe_(x)Si_(y)改性C/C-ZrC-SiC复合材料烧蚀性能进行表征,结果表明,当Fe含量为8.5%(摩尔分数)时,Fe_(x)Si_(y)改性C/C-ZrC-SiC复合材料的烧蚀性能最佳,质量烧蚀率和线烧蚀率分别为2.3×10^(−3) g/s和0.7×10^(−3) mm/s,相比纯C/C-ZrC-SiC复合材料分别降低3.6×10^(−3) g/s和3.61×10^(−3) mm/s。其优异的抗烧蚀性能主要得益于低熔Fe_(x)Si_(y)相的耗氧耗热和SiO2熔体补偿,促使样品表面形成一层致密、低氧透过率的富SiO2层,避免基体的进一步烧蚀。

锆-硅有机前驱体裂解机理及PIP法制备C/C-ZrC-SiC复合材料的烧蚀行为

使用有机锆前驱体(POZ)和聚碳硅烷(PCS)作为前驱体,通过前驱体浸渍-裂解工艺(PIP)制备了C/C-ZrC-SiC复合材料。采用热重分析仪、X射线衍射、扫描电子显微镜等手段研究了Zr-Si混合前驱体的裂解过程中的热失重行为、物相转化过程及显微组织,并详细分析了复合材料的微观结构和烧蚀行为。结果表明:将Zr-Si混合前驱体从室温加热至1 200℃时,ZrC首先转化为无机态的ZrO_2,当裂解温度升高至1 600℃时,ZrO_2通过碳热还原反应生成ZrC陶瓷;SiC晶体的转变温度为1 200～2 000℃。对C/C-ZrC-SiC复合材料烧蚀后的显微组织观察表明,所制备的复合材料具有良好的耐烧蚀性能。

颗粒冲蚀对注射法制备C/C-ZrC-SiC复合材料抗烧蚀性能的影响研究

目的采用ZrC和SiC复相陶瓷对C/C复合材料进行改性,研究改性后的复合材料受到颗粒冲蚀破坏的烧蚀行为。方法采用注射法将ZrC和SiC复相陶瓷前驱体引入到等温化学气相渗透法(ICVI)制备的低密度C/C复合材料中,再通过高温热处理、ICVI的方法制备出ZrC和SiC复相陶瓷改性的C/C(C/C-ZrC-SiC)复合材料,随后对制备的复合材料进行高速颗粒冲击实验破坏,并对破坏后的试样进行氧乙炔火焰烧蚀,研究其烧蚀行为。结果改性后的复合材料线冲蚀率和质量冲蚀率分别为253.1μm/s和79.8mg/s,相较于同孔隙率的C/C复合材料分别降低了49.2%和61%。颗粒冲蚀破坏后C/C-ZrC-SiC复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为4.26μm/s和1.44mg/s,相比于同孔隙率的C/C复合材料,分别降低了37%和39%。结论由于引入的ZrC和SiC陶瓷相的硬度大于碳基体,C/C-ZrC-SiC复合材料在受到高速颗粒的冲击时,能通过硬质陶瓷相起到抗冲击作用,使得改性后的复合材料抗冲蚀性能大幅度提高。受到颗粒冲蚀破坏后的C/C-ZrC-SiC复合材料内部仍存在超高温陶瓷相,烧蚀过程中能够形成ZrO2骨架结构和SiO2球形颗粒,进而有效保护碳纤维和热解碳基体。

烧结温度对C/C-ZrC-SiC复合材料性能的影响

以葡萄糖作为碳源,硅溶胶作为硅源,氧氯化锆作为锆源,采用水热共沉积-碳热还原法制备了C/C-ZrC-SiC复合材料,研究了材料的烧结温度对C/C-ZrC-SiC复合材料的微观形貌、力学性能和耐烧蚀性能的影响。结果表明,烧结温度对水热共沉积制备C/C-ZrC-SiC复合材料的性能影响显著。水热共沉积制备的C/C-ZrO2-SiO2陶瓷在1600℃下烧结,可获得C/C-ZrC-SiC复合材料,ZrC和SiC陶瓷相颗粒粒径约为500 nm,在基体中均匀分布。1600℃烧结的C/C-ZrC-SiC复合材料表现出最佳的力学性能和抗烧蚀性能,其最大弯曲强度为173.8 MPa,质量烧蚀率和线烧蚀率分别为1.28×10-4g/(cm2·s)和1.67μm/s。过高的烧结温度导致晶粒粗大、孔隙缺陷增多,使得复合材料力学性能恶化、抗烧蚀性能大幅降低。

PyC界面层厚度对三维针刺C/ZrC-SiC复合材料力学性能影响规律

为提高C/ZrC-SiC复合材料力学性能,优化C/ZrC-SiC复合材料制备工艺,采用化学气相沉积工艺制备了不同PyC界面层厚度试样,系统研究了PyC界面层厚度对三维针刺C/ZrC-SiC复合材料的弯曲、断裂韧性影响规律,并对其作用机理进行简要分析。结果表明,随着沉积时间增加,针刺预制体碳纤维表面PyC界面层从颗粒状结构转化为厚度不断增加的热解碳界面层,C/ZrC-SiC复合材料弯曲力学强度、弯曲模量断裂韧性(KIC)和断裂功(γWOF)均表现出先增大而后降低的变化规律。

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。

改性C/C-ZrC-SiC复合材料热化学烧蚀数值分析

主要针对多相超高温陶瓷(UHTCs)颗粒掺杂改性C/C复合材料的热化学烧蚀行为进行数学表征,采用公式推导、数值模拟及试验验证等方法进行研究与分析。通过对C/C-ZrC-SiC(CCZS)复合材料烧蚀后的形貌进行分析,基于热化学平衡和最小自由能原理,构建CCZS氧化烧蚀模型。利用热-力-化多场耦合数值分析方法,对CCZS材料锥形缩比试样进行仿真模型构建,将热化学氧化反应表达式嵌入到仿真模型,并进行烧蚀行为数值计算。计算得到的烧蚀体结构内部温度分布和表面质量烧蚀速率,与烧蚀试验结果较为一致,验证了数学模型的有效性。同时,计算结果表明,基于热化学平衡原则进行改性复合材料表面热化学氧化反应的表征具有一定的工程可行性,可为多相UHTCs掺杂改性C/C复合材料的热化学氧化烧蚀数学表征提供理论参考。

化学气相蒸镀法预处理C/C坯体制备C/C-ZrC-SiC复合材料

采用Si+SiO2对一定密度的C/C坯体进行预处理,预处理后得到了含有SiC层的C/C坯体。将预处理后的C/C坯体进行反应熔渗(RMI)制备出了C/C-ZrC-SiC复合材料。采用XRD、SEM-EDS等手段分析检测了C/C-ZrC-SiC复合材料内部的组织结构。结果表明:通过CVD预处理后的坯体内部主要由炭纤维、PyC和SiC组成。材料质量增加,内部生成的SiC涂层随处理时间增加涂层厚度增加;经过熔渗处理后的C/C坯体进行反应熔渗的过程中熔渗剂渗入量比未经预处理的样品增多,且生成ZrC、SiC陶瓷相相对致密。

处理温度对粉末-先驱体法制备C/C-ZrC-SiC复合材料的力学性能影响

以改性的聚甲基硅烷(PMS)作为硅源,碳化锆作为锆源,采用粉末-先驱体法制备出C/C-ZrC-SiC复合材料。对比C/C-ZrC-SiC复合材料在1400,1600,1800℃热处理后的微观结构和力学性能变化,从而探究不同热处理温度对C/C-ZrC-SiC复合材料的影响。结果表明,在1400℃热处理条件下,SiC-ZrC陶瓷与炭纤维结合保持致密,共同抵抗弯曲形变,制备的C/C-ZrC-SiC复合材料具有182 MPa的抗弯强度。在1600℃和1800℃热处理条件下的SiC陶瓷会发生晶型转变而导致结合强度下降,形貌发生变化,表现出较差的力学性能,抗弯强度分别下降至78 MPa和65 MPa。

增强体表面改性在高导热金属基复合材料中的应用

随着电子技术的高速发展和电子器件的更新换代,电子封装材料的性能需求越来越高。金属基复合材料,尤其是铝基和铜基复合材料具有高导热、低膨胀、高稳定性等特点,是具有广阔应用前景的电子封装材料。然而,金刚石、石墨烯、硅等增强体与基体的润湿性差,或者在高温下与基体发生有害的界面反应,限制了此类高导热金属基复合材料的开发和应用。本文简述了金属基复合材料的界面研究进展,结合影响金属基复合材料界面结合的因素,提出了几种改善界面结合的方法。增强体表面改性是改善金属基复合材料界面的重要途径之一,常用工艺有磁控溅射法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法、化学镀法等;最后,对增强体表面改性在高热导金属基复合材料中的应用进行分析和展望。

超声检测在复合材料挖补修理结构缺陷检测中的应用

挖补修理是复合材料结构最常用的修理方法。伴随挖补修理技术的发展,修理后结构的强度评估与损伤检测等问题亟待解决。以挖补修理后的层压板结构为例,对其可能产生的缺陷类型进行归纳,对各种类型缺陷的超声特征信号进行分析总结,将超声特征信号和修理工艺特点互相比对验证,为此类结构缺陷超声检测完整判据的建立提供数据积累。

玉米芯-环糊精交联复合材料对染料分子的吸附性能

以玉米芯和β-环糊精为原料,通过一锅法制备了玉米芯-β-环糊精复合材料(CB-β-CD),通过FTIR、SEM、BET、热重分析仪对其进行了表征。考察了CB-β-CD对酸性品红(AF)和孔雀石绿(MG)在不同吸附条件下的吸附性能。结果表明,20 mL染料初始质量浓度为30 mg/L,加入10 mg吸附剂,吸附3 h,CB-β-CD对MG和AF的最大吸附量分别为52.16 mg/g和58.04 mg/g。MG在碱性条件下更有利于吸附剂的吸附,AF在酸性条件下更有利于吸附剂的吸附。AF和MG的吸附更符合准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,整个吸附过程以单分子层化学吸附为主。经过5次循环使用,该材料的吸附性能仍可达到90%以上。

高性能纤维增强抗弹复合材料的研究与应用进展

简述了高性能纤维增强抗弹复合材料的研究与应用进展,重点介绍了玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并二恶唑纤维等高性能纤维及混杂纤维增强复合材料在抗弹防护领域的研究与应用现状,以及天然植物纤维等新型纤维增强抗弹复合材料的研究进展。指出纤维增强复合材料具有密度低、高效吸能、弹道性能优异等突出优点,在轻量化和高防护力的抗弹领域得到广泛关注和研究,可广泛应用于坦克、装甲车辆、武装直升机及单兵防护,满足未来战争高机动、高生存力的军事需求。