C-ZrC復(fù)合材料的低溫熔滲反應(yīng)制備及性能研究.pdf

1、高超聲速飛行器極端苛刻的工作環(huán)境對(duì)熱結(jié)構(gòu)部件的耐溫、承載及抗燒蝕能力提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，迫切需要開展耐超高溫抗燒蝕材料的研究。連續(xù)碳纖維增強(qiáng)碳化鋯（C/ZrC）陶瓷基復(fù)合材料的耐溫能力強(qiáng)、強(qiáng)度和韌性高、抗熱震性能好、抗燒蝕性能優(yōu)異，在軍事航天領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。采用熔滲反應(yīng)工藝（RMI）制備C/ZrC復(fù)合材料，具有周期短、成本低、ZrC陶瓷產(chǎn)量高、所得材料致密度高并可近凈成型等顯著優(yōu)勢(shì)，受到研究者的廣泛關(guān)注與重視。由于以純金屬鋯作為滲劑， R

2、MI法制備C/ZrC復(fù)合材料存在熔滲溫度過高、反應(yīng)不可控、所得材料性能差的不足。因此本文提出采用低溫熔滲反應(yīng)工藝制備 C/ZrC復(fù)合材料，從工藝設(shè)計(jì)、工藝與性能優(yōu)化、微觀結(jié)構(gòu)分析、反應(yīng)機(jī)理探索以及摻雜改性與應(yīng)用考核等方面，對(duì)C/ZrC復(fù)合材料的低溫熔滲反應(yīng)工藝及性能進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的研究。
　　開創(chuàng)了耐超高溫C/ZrC復(fù)合材料的低溫熔滲反應(yīng)制備工藝。通過熱力學(xué)計(jì)算，論證了以 Zr-Cu合金為滲劑，經(jīng)低溫熔滲反應(yīng)制備 C/ZrC復(fù)合

3、材料的可行性，熔滲溫度可從純金屬鋯的1850℃降至1200℃左右，從而有效地控制金屬鋯與碳的反應(yīng)；采用真空熔煉技術(shù)制備出不同配比的Zr-Cu合金滲劑，表征了合金的高溫物理特性；從織物結(jié)構(gòu)、碳基體種類、纖維界面涂層以及材料孔隙結(jié)構(gòu)等方面，對(duì)多孔 C/C基材進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并以整體針刺氈為增強(qiáng)體、酚醛樹脂為碳先驅(qū)體，經(jīng)樹脂浸漬-碳化工藝制備得到孔隙率可調(diào)、孔隙結(jié)構(gòu)以直筒形通孔為主的多孔C/C基材。
　　系統(tǒng)研究并優(yōu)化了C/ZrC復(fù)合材料低

4、溫熔滲反應(yīng)的制備工藝與力學(xué)性能。C/C基材密度、滲劑Cu含量以及反應(yīng)溫度和時(shí)間對(duì)C/ZrC復(fù)合材料的室溫力學(xué)性能影響顯著。隨C/C基材密度從1.02g·cm-3增至1.24g·cm-3，C/ZrC復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和彈性模量均呈現(xiàn)先增加后下降的變化；與Zr2Cu和Zr7Cu10兩種滲劑相比，ZrCu合金制備所得C/ZrC復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和彈性模量更高；隨反應(yīng)溫度從1200℃升至1800℃、反應(yīng)時(shí)間從0.5h增至3h，C/ZrC復(fù)合材料

5、的抗彎強(qiáng)度與彈性模量先增加后減小。C/C基材密度為1.12g·cm-3、滲劑為 ZrCu、反應(yīng)溫度和時(shí)間分別為1400℃和1.5h，所得材料抗彎強(qiáng)度和彈性模量最佳，分別達(dá)到126.9MPa和58.0GPa。
　　研究了低溫熔滲反應(yīng)工藝對(duì) C/ZrC復(fù)合材料抗燒蝕性能的影響，并探討了燒蝕機(jī)理。隨C/C基材密度從1.02g·cm-3增至1.24g·cm-3，C/ZrC復(fù)合材料的線燒蝕率先降低后增加；ZrCu合金制備所得C/ZrC復(fù)合材

6、料的絕對(duì)線燒蝕率更低；隨反應(yīng)溫度從1200℃升至1800℃、反應(yīng)時(shí)間從0.5h增至3h，C/ZrC復(fù)合材料的線燒蝕率先減小后增大。C/C基材密度為1.12g·cm-3、滲劑為ZrCu、反應(yīng)溫度和時(shí)間分別為1500℃和1.5h，所得C/ZrC復(fù)合材料的線燒蝕率最低，僅為0.0004mm·s-1。C/ZrC復(fù)合材料的燒蝕以氧化反應(yīng)和機(jī)械沖刷為主，燒蝕過程中Cu的揮發(fā)和反應(yīng)生成的熔融ZrO2層起到了較好的抗燒蝕作用。
　　探索了低溫熔滲

7、反應(yīng)制備 C/ZrC復(fù)合材料的高溫演化規(guī)律。當(dāng)熱處理溫度提高到1600~1800℃，材料的開孔率從5.3％增至14%左右，材料抗彎強(qiáng)度明顯下降，強(qiáng)度保留率為77%左右；當(dāng)熱處理溫度進(jìn)一步升高至2000℃，由于纖維受損嚴(yán)重，且ZrC晶粒結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，材料性能退化嚴(yán)重，彎曲強(qiáng)度保留率僅為54.1%。
　　研究了 C/ZrC復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)、熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率等熱物理性能。研究結(jié)果表明：C/ZrC復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)隨溫度升高

8、先增加后減小，在1200℃左右達(dá)到最大值2.86×10-6 K-1；材料的比熱隨溫度升高而增加，由室溫的0.60J·g-1·K-1升至1200℃時(shí)的1.28J·g-1·K-1；材料的熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率均隨溫度升高而下降，前者降幅更為顯著，由室溫的17.45mm2·s-1降至1200℃時(shí)的7.18mm2·s-1，而后者僅由室溫的47.27W·m-1·K-1降至1200℃時(shí)的41.37W·m-1·K-1。
　　深入研究了C/ZrC復(fù)合

9、材料的微觀結(jié)構(gòu)，探討了C/ZrC復(fù)合材料低溫熔滲反應(yīng)機(jī)理。ZrC基體主要以微米單晶和納米多晶兩種形態(tài)存在，晶粒內(nèi)部含納米級(jí)Cu-Zr-C共熔體；構(gòu)建了Zr-Cu滲入模型，以及滲入深度與熔滲時(shí)間的函數(shù)關(guān)系；明確了ZrC的生長(zhǎng)符合溶解-析出模型，即固態(tài)C在高溫區(qū)溶解進(jìn)入熔體中，往低溫區(qū)擴(kuò)散，達(dá)到飽和后在缺陷處析出，并均勻形核長(zhǎng)大，ZrC的生長(zhǎng)方式表現(xiàn)為二維形核臺(tái)階側(cè)向生長(zhǎng)。
　　為進(jìn)一步提高 C/ZrC復(fù)合材料的抗氧化燒蝕性能，開展了

10、低溫熔滲反應(yīng)制備C/ZrC復(fù)合材料的摻雜改性研究。提出了C/ZrC復(fù)合材料SiC摻雜改性的設(shè)計(jì)思想，探索了酸浴處理、高溫?zé)崽幚韮煞N除 Cu工藝，分別采用液硅浸滲、先驅(qū)體浸漬-裂解兩種工藝對(duì)除Cu后的C/ZrC材料進(jìn)行SiC摻雜改性。研究結(jié)果表明：采用高溫?zé)崽幚斫Y(jié)合先驅(qū)體浸漬-裂解工藝進(jìn)行SiC摻雜改性處理，不僅可保持C/ZrC復(fù)合材料原有的力學(xué)性能，而且能顯著提高材料的抗燒蝕性能，改性后的材料線燒蝕率僅0.0007±0.0003mm·s