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。

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。

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。

浆料浸渍辅助PIP工艺制备C/HfC-SiC复合材料的微观结构及性能研究

针对高速飞行器对于防热/承载一体化超高温陶瓷基复合材料的迫切需求,以及现有反应型HfC先驱体存在的成本高、效率低和致密效果差等不足,本研究将HfC亚微米粉体配制成稳定的陶瓷浆料,利用浆料加压浸渍辅助先驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备了HfC基体均匀分布的C/HfC-SiC复合材料,探讨了HfC含量对于复合材料微观结构、力学与烧蚀性能的影响。结果表明,当HfC实际体积分数为13.1%~20.3%时,复合材料密度为2.20~2.58 g·cm^(-3),开孔率约为5%。通过单层碳布加压浸渍陶瓷浆料,HfC颗粒能够分散到纤维束内部,且在复合材料中分布比较均匀。提高HfC含量会降低复合材料纤维含量,其力学性能也呈现出降低趋势。当HfC体积分数为20.3%时,复合材料的密度、拉伸强度和断裂韧性分别为2.58 g·cm^(-3)、147 MPa和9.3 MPa·m^(1/2);经氧乙炔焰烧蚀60 s后,复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.0062 mm/s和0.005 g/s,烧蚀过程中形成的熔融相Hf_(x)Si_(y)O_(z)能覆盖在材料表面,起到良好的保护作用。

C/SiC复合材料数据库及机器学习性能预测平台的设计与开发

以MySQL Workbench 8.0为数据库平台,采用三层浏览器/服务器架构,利用PyCharm 2022开发了一套基于Web界面和机器学习技术的C/SiC复合材料数据库系统,该系统包括材料数据库和机器学习模型2部分,具有对材料组分结构、制备工艺、试验性能等材料研发各阶段的信息查询、添加、修改、删除、搜索以及支持信息管理、设计分析视图、案例推理辅助设计、用户与系统管理等功能。基于神经网络回归算法训练机器学习模型,利用材料微观结构参数预测材料力学性能,对不同微观结构参数的影响权重进行评价,并部署在系统平台中;通过Web用户界面调用机器学习模型,对预留的验证集数据进行拉伸模量和弯曲模量预测。结果表明:机器学习模型预测材料力学性能的精度达到95%左右,训练出来的预测模型具有良好的精度与泛化能力。

不同预制体结构制备C/C-SiC复合材料的微观结构演变及力学性能

采用缝合结构与针刺结构碳纤维预制体,经化学气相渗透法(CVI)和反应熔渗法(RMI)制备出C/C-SiC复合材料,系统研究了两种结构预制体制得的C/C多孔体微观结构、孔隙特征及C/C-SiC复合材料微观结构和弯曲性能。结果表明:缝合结构C/C多孔体孔径呈双峰分布,孔隙多为纤维束间孔,针刺结构C/C多孔体孔径呈单峰分布,由于网胎的加入使得部分纤维束间孔转变为连通的小孔隙网络,经过模拟后者Z向绝对渗透率略大于前者,有利于后者后续RMI致密化过程(高密度,低开孔率,低残余金属);缝合结构C/C-SiC复合材料平均弯曲强度高于针刺结构C/C-SiC复合材料,二者都呈现“假塑性”断裂方式;针刺结构C/C-SiC复合材料密度更高,残余Si含量更低,但其纤维体积含量较低,长直纤维的完整性较差,使得复合材料承载性能较低。

管状C/SiC复合材料高温空气氧化行为与宏细观建模研究

氧化损伤是影响火箭发动机用C/SiC复合材料喷管寿命的主要因素之一。为准确评估C/SiC复合材料喷管的氧化损伤,本研究以近似喷管结构的管状C/SiC复合材料为实验对象,研究了管状C/SiC复合材料在高温(900~1300℃)空气环境下的氧化行为,包括其组成、结构及力学性能的演变规律,发现管状C/SiC复合材料在该高温空气环境下表现出受扩散控制的氧化特征,质量与剩余强度随时间呈幂函数下降趋势,下降速率与温度正相关。在此基础上,从氧化动力学与传质学理论角度出发,建立了管状C/SiC复合材料细观/宏观尺度氧化模型,模拟了管状C/SiC复合材料高温空气氧化过程,并预测了材料的质量与剩余强度。模型预测结果与实验数据拟合程度较高,可为C/SiC复合材料喷管的寿命评估提供参考。

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。

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。

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/SiC复合材料的人工孔发汗冷却性能分析及优化研究

C/SiC复合材料在热防护领域中应用广泛,但受制备工艺、成本等方面的限制,具有低孔隙率、小孔径的特征,在发汗冷却过程中这些微小孔隙难以支撑足够的冷却剂供应量且易发生堵塞,限制了冷却的进行。针对此问题,本文研究通过增加人工孔来改善C/SiC复合材料发汗冷却性能的可行性。建立了人工孔表征单元结构及等效模型,获得了打孔后复合材料内冷却工质的流量比及等效渗透率的变化情况,探究了打孔方式与工质流量对复合材料等效体换热系数的影响规律,并拟合了打孔后复合材料等效体换热系数经验公式。结果表明:渗透特性方面,冷却工质的主要流量分布于人工孔中;对于渗透率为1×10^(-16) m^(2)的低渗透率材料,打孔后复合材料自身工艺孔中的流量占比小于0.1%,其中的工质流动可忽略;在换热特性方面,可通过调节打孔方式改善复合材料的换热性能,相同渗透率下调节打孔方式可使体换热系数提升154%。

C/SiC复合材料的烧蚀机理试验研究

C/SiC复合材料具有优异的热力学性能,在临近空间领域具有较好的应用前景。针对C/SiC复合材料的烧蚀机理理论方法开展研究,建立了C/SiC复合材料主/被动氧化烧蚀分析方法,并在传统主动和被动氧化烧蚀的基础上,对于更高温度条件则采用一种升华分解烧蚀模型。通过设计典型状态电弧风洞试验,验证了主/被动氧化模型烧蚀、升华分解烧蚀模型的准确性,试验结果表明典型状态下C/SiC复合材料无因次质量烧蚀率与理论值吻合,有关研究及结果可以为C/SiC复合材料防热设计分析提供参考。

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。

基于空气环境下静态氧化试验的C/SiC复合材料氧化行为与机理研究

连续碳纤维增强碳化硅复合材料(C/SiC)具有优异的高温力学性能,在航空航天热防护领域具有广泛的应用前景。摸清C/SiC复合材料在不同温度,不同氧化时间下的氧化行为与机理是开展C/SiC复合材料热结构设计的前提。本文针对C/SiC复合材料开展静态氧化试验,系统研究了在400℃~1200℃范围内的静态氧化行为,获取了材料的氧化动力学参数。采用高温热重分析仪(TGA),获取C/SiC试样在不同温度下的连续失重曲线;基于氧化热重测试数据,给出了描述单位面积材料氧化速率的氧化动力学参量。通过显微观测、扫描电镜(SEM)测试、能量分散光谱(EDS)以及X射线衍射(XRD)测试等试验表征,研究了不同温度下材料的表面氧化形貌、氧化生成物;采用计算机断层扫描(CT)技术,研究了材料内部的氧化扩散模式,重构了试样内部的氧化形貌,揭示了材料的氧化机制,并对氧化后的试样进行剩余强度测试。

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。