论文部分内容阅读
碳/碳复合材料（C/C）具有低密度、低热膨胀系数和高比强度等优点,已被广泛地应用于先进飞行器的热防护系统和推动系统。而服役在高超声速飞行环境时,C/C将暴露在2000℃以上的氧化环境中,因受到高温氧化和高速气流的冲刷作用而导致材料发生烧蚀,因此,提高C/C复合材料的抗烧蚀性能具有重要的战略意义。将超高温陶瓷引入到C/C复合材料中,能够有效地提高C/C复合材料的抗烧蚀性能。本文主要采用前驱体浸渍热解（PIP）和反应熔体浸渗（RMI）工艺,制备了ZrC基陶瓷掺杂的2D针刺C/C复合材料。采用不同热流密度的氧-乙炔焰对所制备材料进行了单一烧蚀、循环烧蚀以及设计成楔形构件的较长时间烧蚀。借助XRD、SEM-EDS对材料测试前后的物相、显微结构、组分进行了表征,结合表面温度,研究了复合材料的烧蚀行为和抗烧蚀性能,并探索了复合材料的烧蚀机制。采用PIP结合化学气相渗透（CVI）,制备了C/C-ZrC-SiC和C/C-ZrC复合材料,并对比研究了两种复合材料的弯曲性能和烧蚀行为。结果表明,SiC的优先引入减弱了C/C-ZrC-SiC复合材料的热解碳层-基体之间的结合强度,导致其弯曲强度低于C/C-ZrC复合材料。在热流密度2.38 MW/m~2的焰流环境烧蚀60s后,C/C-ZrC-SiC复合材料表面以多孔Zr O2为主,而C/C-ZrC复合材料表面形成了致密且均匀的Zr O2层,使其抗烧蚀性能明显优于C/C-ZrC-SiC复合材料。在热流密度4.18 MW/m~2的焰流环境下,两种复合材料的表面均出现了烧蚀坑。C/C-ZrC-SiC复合材料在烧蚀过程中大量气态产物的蒸发,导致其质量烧蚀率高于C/C-ZrC复合材料,但线烧蚀率低于C/C-ZrC复合材料。采用RMI制备了C/C-ZrC-SiC复合材料,研究了材料在热流密度2.38 MW/m~2和4.18MW/m~2的焰流环境下的烧蚀行为和抗烧蚀性能。结果表明:反应生成的ZrC-SiC主要分布在纤维网胎层,ZrC围绕SiC分布。在热流密度2.38 MW/m~2的焰流烧蚀后,C/C-ZrC-SiC烧蚀表面上形成的“岛状”Zr O2和Si O2层作为有效的障碍层能够阻挡烧蚀热和减缓氧气向材料内部的扩散,其质量烧蚀率和线烧蚀率较C/C分别降低了76.8%和88.4%,较C/C-SiC分别降低了66.9%和58.3%。在热流密度4.18 MW/m~2的焰流环境下,由于高的温度和强焰流冲刷作用,C/C-ZrC-SiC复合材料表面中心区域形成的多孔Zr O2层发生剥落;与C/C和C/C-SiC相比,C/C-ZrC-SiC复合材料的质量烧蚀率分别降低了60.8%和44.8%,而其线烧蚀率较C/C高了7.3%,但比C/C-SiC复合材料降低了13.5%。采用PIP结合RMI制备的C/C-ZrC-SiC复合材料的显微结构显示:分布在纤维网胎层的ZrC-SiC具有高的致密性且ZrC和SiC之间分布相对均匀。在热流密度4.18 MW/m~2的焰流测试60s后,C/C-ZrC-SiC复合材料的抗烧蚀性能明显优于单一RMI制备的C/C-ZrC-SiC复合材料。烧蚀面从中心区域到边缘区域,由于温度梯度的存在,Zr O2晶粒尺寸出现了由大到小的变化。烧蚀表面生成的网状Zr O2具有高的结构稳定性,在经历高温高速焰流的机械冲刷后没有出现氧化物的剥落。在热流密度2.38 MW/m~2和4.18 MW/m~2的焰流环境下,考核了RMI结合B4C/酚醛树脂料浆浸渗和CVI制备的C/C-ZrC-SiC-ZrB2复合材料循环烧蚀30s×4次和60s×2次的烧蚀行为。结果表明:材料在循环烧蚀30s×4次时的表面温度要低于60s×2次。从30s×4次的第2次烧蚀开始,Zr O2的剥落量增加,造成表面辐射改变,使表面温度出现降低的趋势。循环烧蚀次数的增多,导致表面氧化物的剥落量增加,30s×4次的质量损失和厚度损失要高于60s×2次。烧蚀面中心区域和过渡区域主要为外层Zr O2和亚表层Zr O2-Si O2构成的双层层状结构。由于Zr O2-Si O2亚表层温度的降低,Si O2的消耗减少,使得亚表层中Zr O2的晶粒尺寸明显小于外表层。RMI制备的C/C-ZrC-SiC和C/C-ZrC复合材料在热流密度2.38 MW/m~2的焰流环境下循环烧蚀30s×4次和单一烧蚀120s后的结果表明:两种材料循环烧蚀的表面温度均低于单一烧蚀。随着循环烧蚀次数的增加,表面温度逐渐升高且氧化物的剥落量也在增加。循环烧蚀时,C/C-ZrC-SiC复合材料表面生成的Si O2能够使表面的Zr O2和Si O2与基体材料形成良好的粘附,同时,镶嵌在Si O2中的Zr O2比单一Zr O2具有更高的抗焰流冲刷性能。循环烧蚀后,C/C-ZrC-SiC复合材料表面的氧化物剥落量小于C/C-ZrC,具有比C/C-ZrC复合材料较低的线烧蚀率。将RMI制备的C/C-ZrC-SiC-ZrB2和C/C-ZrC-SiC复合材料设计成楔形构件并在热流密度2.38 MW/m~2的焰流环境下测试120s,研究了材料的烧蚀行为和抗烧蚀性能。结果表明:C/C-ZrC-SiC-ZrB2和C/C-ZrC-SiC构件在经历了烧蚀初期大的温度梯度、稳态烧蚀阶段的超高温度以及焰流的冲刷后,仍旧保持着完整的形状,两者的抗烧蚀性能要明显优于C/C。C/C-ZrC-SiC-ZrB2和C/C-ZrC-SiC复合材料构件从尖端附近至尾部,由于温度梯度的影响,表面出现了从尖端附近的多孔Zr O2层,中间区域的外层Zr O2和亚表层Zr O2-Si O2构成的双层结构到尾部Si O2层这一结构演变。特别是中间区域,亚表层Zr O2的晶粒尺寸要小于外表层。