C-SiC復(fù)合材料熱輻射機(jī)制與性能研究.pdf

1、碳纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（C/SiC）具有較低的密度，優(yōu)異的高溫性能，不發(fā)生災(zāi)難性破壞等一系列突出的優(yōu)點，在航空航天等高溫領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用。C/SiC復(fù)合材料的高溫應(yīng)用環(huán)境，決定了輻射傳熱是其在服役過程中與外界進(jìn)行熱量傳輸?shù)闹饕绞健鴥?nèi)外對C/SiC復(fù)合材料熱輻射性能研究較少，對復(fù)合材料基本熱輻射性能不清楚。因此，明確C/SiC基本組元熱輻射性能，掌握熱輻射在C/SiC復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的傳輸機(jī)制，獲得復(fù)合材料熱輻射性能在不同模擬環(huán)境

2、下的演變規(guī)律，建立環(huán)境控制因素，復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)以及熱輻射性能三者之間的相互作用關(guān)系，掌握基體改性調(diào)控C/SiC復(fù)合材料熱輻射性能的機(jī)制，對于完善高溫環(huán)境下C/SiC復(fù)合材料使用效能評價具有十分重要的指導(dǎo)意義。
　　本文以化學(xué)氣相滲透法制備的C/SiC復(fù)合材料為研究對象，以復(fù)合材料熱輻射性能為主要研究目標(biāo)，結(jié)合熱輻射基礎(chǔ)理論，系統(tǒng)研究了C/SiC復(fù)合材料基本組元材料熱輻射性能，以及復(fù)合材料預(yù)制體結(jié)構(gòu)，表面涂層以及致密度等顯微結(jié)構(gòu)演

3、變對熱輻射性能的影響機(jī)制。通過分析不同模擬環(huán)境條件下，復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)損傷和熱輻射性能之間關(guān)系，獲得了環(huán)境控制因素對復(fù)合材料熱輻射性能演變的影響機(jī)制。通過基體改性實現(xiàn)了C/SiC復(fù)合材料熱輻射性能調(diào)控，明確了改性物質(zhì)對復(fù)合材料熱輻射性能的調(diào)控規(guī)律。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　1)研究了C/SiC復(fù)合材料中C相組元材料熱輻射性能與顯微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。結(jié)果表明：（1）石墨材料的熱輻射性能隨著試樣表面層狀石墨微晶的出現(xiàn)逐漸升高。（2）碳

4、纖維總發(fā)射率在1000~1600℃范圍內(nèi)隨溫度線性增長，光譜發(fā)射率隨波長的波動增強(qiáng)。（3）1600℃和1800℃熱處理增強(qiáng)了碳纖維光譜發(fā)射率隨波長的波動，降低了碳纖維的總發(fā)射率，1600℃下的降幅分別為2.71％（1600℃-HT）和9.94%（1800℃-HT）。（4）碳纖維表面沉積 PyC層后，試樣光譜發(fā)射率隨波長的波動減弱，熱輻射性能下降30%左右。PyC層厚度從0.5μm增加到1.0μm對試樣熱輻射性能改變不大。（5）沉積CNT

5、s層后，碳纖維的熱輻射性能在1000~1600℃范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯增長，增幅約為35%。
　　2)研究了C/SiC復(fù)合材料中SiC相組元材料熱輻射性能與顯微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。結(jié)果表明：（1）采用單振子洛倫茲模型計算得到了SiC理論發(fā)射率，其在10~14μm波段范圍出現(xiàn)突變，是SiC特有的剩余反射帶特征。（2）CVD SiC相比于HP SiC表現(xiàn)出更加明顯的SiC剩余反射帶特征，在1300℃以下CVD SiC具有較高的熱輻射性能，而在13

6、00℃以上HP SiC的熱輻射性能更優(yōu)異。（3）當(dāng)SiC涂層厚度有限時，隨著石墨基底表面粗糙度增加，SiC涂層熱輻射性能降低。（4）SiC粉體顆粒和SiC晶須制備的ZrB2-SiC陶瓷材料光譜發(fā)射率隨波長的變化關(guān)系存在很大差別，其中SiC晶須制備的試樣SiC剩余反射帶特征比較明顯，并且其熱輻射性能略高于SiC粉體制備的試樣。
　　3)研究了預(yù)制體結(jié)構(gòu)、表面涂層、致密度等 C/SiC復(fù)合材料本征顯微結(jié)構(gòu)對熱輻射性能的影響。結(jié)果表明：

7、（1）相比于2D C/SiC，3DN C/SiC光譜發(fā)射率在10~14μm范圍內(nèi)表現(xiàn)出更加明顯的SiC剩余反射帶特征，在1200℃以上，3DN C/SiC熱輻射性能優(yōu)于2D C/SiC。（2）C/SiC復(fù)合材料沉積SiC涂層后，光譜發(fā)射率出現(xiàn)明顯的SiC剩余反射帶特征。SiC涂層對試樣總發(fā)射率隨溫度的變化趨勢影響不大，總發(fā)射率略有升高。（3）隨著SiC涂層厚度從20μm增加到100μm，C/SiC熱輻射性能總體呈現(xiàn)上升趨勢，同時光譜發(fā)射

8、率中SiC剩余反射帶特征逐漸顯著。（4）隨著C/SiC復(fù)合材料表面粗糙度減小，試樣熱輻射性能降低，測試溫度的升高增加了表面形貌對熱輻射性能的影響。（5）伴隨C/SiC復(fù)合材料致密度升高，熱輻射性能持續(xù)升高，SiC含量超過50wt%時，試樣熱輻射性能增幅最大。
　　4)研究了C/SiC復(fù)合材料在高溫?zé)崽幚?、空氣氧化和水氧腐蝕環(huán)境考核后的熱輻射性能演變規(guī)律。結(jié)果表明：（1）1600℃和1800℃熱處理后，C/SiC熱輻射性能在高溫下的

9、改變不大，2000℃熱處理后，復(fù)合材料中β-SiC晶粒的長大和α-SiC含量的增多提高了試樣熱輻射性能。（2）700℃空氧對C/SiC光譜發(fā)射率隨溫度的變化關(guān)系影響不大，但提高了試樣總發(fā)射率。1000℃空氧后C/SiC熱輻射性能改變不明顯，1300℃空氧升高了C/SiC熱輻射性能，并且增幅隨著氧化時間延長而增加。（3）700℃和1000℃水氧腐蝕對C/SiC光譜發(fā)射率的影響不大，但是降低了C/SiC熱輻射性能，并且氧化時間的延長和測試溫

10、度的升高促進(jìn)了這種降低。1300℃水氧腐蝕后C/SiC光譜發(fā)射率發(fā)生明顯變化，總發(fā)射率的降幅超過前兩種試樣。
　　5)研究了基體改性及SiC涂層對C/SiC熱輻射性能的調(diào)控機(jī)制。結(jié)果表明：（1） Si相和Si-B-C-N陶瓷均可以提升C/SiC熱輻射性能，在1000℃時，增幅分別為50.00%和6.00%，1600℃時，增幅分別為60.00%和16.67%，Si相對復(fù)合材料熱輻射性能的提升作用顯著。（2）C相和Si-C-N陶瓷在低