碳-碳復合材料抗氧化硼酸鹽改性技術的研究.pdf

1、碳/碳(C/C)復合材料具有其它結構材料無法比擬的力學性能和高溫性能，因此被當做高溫結構材料而被廣泛應用于航天航空領域。但由于其在高于400℃的有氧氣氛中容易發(fā)生氧化，材料的性能受到了嚴重的影響，從而限制了C/C復合材料的應用。涂層技術只能在高溫段對C/C復合材料進行有效的保護，基體改性技術則為提高其在低溫段的抗氧化能力提供了有效地途徑，從而擴大C/C復合材料在全溫段的應用。本文以硼化物（ZrB2、硼硅化合物）為氧化抑制劑，通過水熱/溶

2、劑熱法改性技術對C/C復合材料進行改性，從而提高C/C復合材料在低溫段的抗氧化性能，并采用XRD、XPS、SEM、EDS和氧化性能測試等手段對改性后C/C復合材料的物相組成、顯微結構和性能進行表征，并且對改性后C/C復合材料的氧化行為進行了分析。主要研究內容和結果如下所述:
　　以硼酸三正丁酯、無水乙醇、乙酸為原料，通過改變配比得到穩(wěn)定的硼溶膠前驅液，以ZrB2微粉為氧化抑制劑，研究了溶劑熱改性溫度和時間對改性后C/C復合材料的顯

3、微結構與抗氧化性能的影響，并對改性后C/C復合材料的氧化動力學進行了探索。在100-180℃的溶劑熱改性范圍內，改性后C/C復合材料的抗氧化性能隨著溶劑熱溫度的升高而提高，180℃改性后C/C復合材料在600℃氧化6h后的失重量僅為26.4mg·cm-2;在24-72h的溶劑熱處理范圍內，隨著溶劑熱時間的延長，沉積在基體表面的ZrB2和B2O3變多，相應的抗氧化性能更好;當溶劑熱時間為60h時，改性后的C/C基體在800℃氧化20h后的

4、氧化失重量僅為11.3％。氧化動力學分析結果表明，改性后的C/C復合材料在700℃溫度范圍內，其氧化激活能為161.3kJ/mol,氧化行為主要是受O2、CO和CO2在ZrB2/B2O3保護層中的擴散以及ZrB2的氧化過程所控制;而在高于700℃的溫度下，氧化激活能為57.7kJ/mol，氧化行為主要受控于B2O3的揮發(fā)以及氧在材料缺陷內的擴散。
　　向硼溶膠前驅液中添加硼硅化合物，主要研究不同加入量對C/C復合材料抗氧化性能的影

5、響。改性后C/C表面被一層連續(xù)致密的玻璃態(tài)涂層所覆蓋，隨著硼硅化合物加入量的增加，改性后試樣的抗氧化性能逐漸增強。當硼硅化合物的加入量較少時，影響其抗氧化性能的因素主要是硼硅化合物的反應速率;而當硼硅化合物加入量較多時，B2O3的揮發(fā)變成了主導因素。當硼硅化合物加入量為10wt％時，其抗氧化性能最好，在600℃氧化10h后的失重量僅為16.18mg/cm3。
　　以硼酸、ZrB2微粉組成的懸浮液為前驅體，通過研究ZrB2微粉加入量