耐烧蚀超高温陶瓷改性C/C复合材料的研究进展

作者:李军;杨鑫;刘红卫;黄启忠;苏哲安 刊名:中国有色金属学报 上传者:罗文明

【摘要】炭/炭(C/C)复合材料在高温含氧环境中易氧化烧蚀的问题影响了其在航空航天领域的应用,引入超高温陶瓷能有效地提高其超高温耐烧蚀性能。介绍和分析了化学气相渗透、先驱体浸渍裂解、反应熔渗等基体改性工艺及其优缺点;综述了近年来C/C复合材料基体改性提高其超高温抗烧蚀性能的最新研究进展;并评述了国内在提高C/C复合材料超高温抗烧蚀性能方面取得的一些成果;最后,提出了提高C/C复合材料超高温长时抗烧蚀性能的潜在发展方向。

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1732 中国有色金属学报 2015年 7月 求。因此,必须对 C/C复合材料进行改性处理。 超高温陶瓷(UHTC)因具有超高熔点、高强度以及 耐烧蚀等优点而被用于超高速飞行器的热防护系统, 但其抗热震性能较差 ,在高低温瞬时热震中易产生裂 纹 ,而通过结合炭纤维和超高温陶瓷,则能发挥出纤 维 的韧性和陶瓷的耐烧蚀性能。目前 ,在 国内外对 C/C 复合材料的研究中,主要是通过在 C/C复合材料表面 制备抗氧化涂层[7-12】或通过基体改性技术向 C/C基体 中引入 ZrC[¨ 、TaC[ 1们、ZrB2[" 剐、SiC[ 。】等难 熔碳化物和硼化物陶瓷相来提高复合材料的超高温耐 烧蚀性能。虽然从理论上说通过表面涂层能极大的隔 绝氧气与基体接触 ,从而对基体起到一定的氧化保护 作用 ,但是 由于涂层和基体间的热膨胀系数不 同,在 应用于超高温 、强冲刷、高频振动、高低温 瞬时热震 等极端苛刻环境时,涂层易发生开裂、剥落、烧蚀等 失效[2”。而通过基体改性技术则能极大地提高 C/C复 合材料 的超高温耐烧蚀性能 。 本文作者根据近年来国内外的相关研究报道,对 采用基体改性技术改善 C/C复合材料的超高温耐烧蚀 性能的研究进展进行了综述,并对各制备工艺的优缺 点进行 了评述 。 1 C/C复合材料基体改性工艺 基体改性技术主要有内部涂层法和添加剂法。其 中,内部涂层是通过在炭纤维表面或在基体的孔隙内 涂覆具有阻挡氧扩散的阻氧层,这对提高 C/C复合材 料 自身抗氧化能力有一定的促进作用,但内部涂层只 能对纤维表面起到保护作用,并不能确保材料整体不 被氧化 ,且 当纤维 的横截面暴露于 空气 中时,纤维会 从 内部烧蚀而 留下涂层 ,因此其氧化 防护效果十分有 限L6】。而添加剂法则是通过 向 C/C基体 中引入抑制剂 或封 闭剂填封活性 点,从 而降低材料 的氧化速率 ,达 到提 高抗氧化耐烧蚀 的 目的。 目前 ,主 要是 向基体 中 添加难熔碳化物或硼化物来提高材料的超高温抗氧化 耐烧 蚀 性 能,其 添加 方法 主要 包括 化学气 相渗 透法 (cvI)E 、先驱体浸渍裂解法(PIP)[。引、反应熔体熔渗 法(RMI)t14,24]、热压法(HP) 和浆料浸渍法(SI) 等。 1.1 化学气相 渗透法 化学气相 渗透法是在化学气 相沉积(CVD)的基础 上发展起来 的方法 。它是碳源气体热解生成的炭随着 载气气流流过反应炉 中的多孔材料体时 ,借助对流或 扩散等传质过程向多孔材料内部转移,最后生成固体 产物并放出气体副产物的方法。化学气相渗透法具有 制备温度较低,材料的组织均匀,对 纤维的损伤小 , 能对复杂异形件 进行近 净成形 ,并可对微观 尺寸进 行 成分设计等优点 但是 ,该方法不可避免地 会存在一 些缺点,如对设备要求高、致密化速度低、周期长、 生产成本高,且由于产生大量副产物气体,并易在材 料表面形成“结壳”现象【2”,故致密化程度不太高,会 留下 10%~15%的孔 隙L3J。 LAMOUROUX 等[27]先在炭纤维上沉积一层热解 炭保护炭纤维,再以CH3SiCI3和 H2为原料,通过 CVI 法制得 C/C.SiC复合材料 ,最后再在材料表面沉积一 层 SiC膜 ,得到 的复合材料抗氧化性 明显优于 C/C复 合材料 ,并提出 了一个氧化机 制的模 型。CHEN等[2 B] 通过两步 CVI法制备了C/SiC复合材料,并研究了其 在 2900和 3550℃下烧蚀 的形貌及机制 ,得到在 2900 ℃下 以 SiC 的氧 化和热

参考文献

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