【摘 要】
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超高温陶瓷改性碳/碳(C/C-UHTCs)复合材料因其具有高比强度、良好的抗热震性及抗烧蚀性能,成为新一代高超音速飞行器抗烧蚀热防护最具竞争力的候选材料之一。Zr-Si体系复合材料一直是研究的热点,但在1600℃以上,玻璃态保护层中的SiO2快速挥发,复合材料烧蚀表面形成多孔的ZrO2层,导致氧化性气氛快速进入材料内部,加剧了复合材料的氧化,限制了 Zr-Si体系抗烧蚀材料在空天飞行器热端部件的应
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超高温陶瓷改性碳/碳(C/C-UHTCs)复合材料因其具有高比强度、良好的抗热震性及抗烧蚀性能,成为新一代高超音速飞行器抗烧蚀热防护最具竞争力的候选材料之一。Zr-Si体系复合材料一直是研究的热点,但在1600℃以上,玻璃态保护层中的SiO2快速挥发,复合材料烧蚀表面形成多孔的ZrO2层,导致氧化性气氛快速进入材料内部,加剧了复合材料的氧化,限制了 Zr-Si体系抗烧蚀材料在空天飞行器热端部件的应用。在Zr-Si体系中引入La2O3构建多组元C/C-UHTCs复合材料是提升Zr-Si体系复合材料抗烧蚀性能的一种行之有效的方法。本文通过控制水热共沉积过程制备了具有La2O3界面层、La2O3均匀分布及梯度分布的C/C-ZrC-SiC-La2O3复合材料。研究了 La2O3界面层及La2O3分布方式对复合材料的微观结构及抗烧蚀性能的影响,阐明了三种复合材料的抗烧蚀机理,主要研究内容与结论如下:(1)采用水热法在碳纤维表面构建了 La2O3界面层,再通过水热共沉积工艺在碳纤维预制体中引入C-ZrC-SiC基体相,得到C/C-ZrC-SiC-La2O3复合材料。研究了具有界面层C/C-ZrC-SiC-La2O3复合材料的微观结构和抗烧蚀性能。结果表明,La2O3分布在基体与碳纤维之间的界面上,复合材料的质量烧蚀率为6.13×10-4 g·cm-2·s-1,线性烧蚀率为5.62 μm·s-1。在烧蚀中心区形成了非连续的ZrO2-La2Zr2O7-SiO2玻璃状氧化膜。在过渡区,SiO2-ZrO2玻璃气泡延长了氧的扩散路径,保护内部材料免受氧化。在热影响区,烧蚀表面主要由固体ZrO2和固体SiO2构成,未能形成玻璃层,导致纤维烧蚀较为严重。因此,La2O3界面层不能有效地抵抗氧化烧蚀,造成局部纤维的快速氧化。(2)采用水热共沉积工艺在碳纤维预制体中引入C-ZrC-SiC-La2O3基体相,制备了 C/C-ZrC-SiC-La2O3复合材料。研究了 La2O3含量对复合材料微观结构及抗烧蚀性能的影响。结果表明,La2O3在复合材料中呈均匀分布,随着La2O3含量的增加,C/C-ZrC-SiC-La2O3复合材料质量(线)烧蚀率先降低后增加。四种复合材料烧蚀后形成了类似混凝土结构的ZrO2-La2Zr2O7-SiO2玻璃态氧化膜,当La2O3含量为15%时,复合材料烧蚀表面形成的氧化膜平衡了烧蚀产物的粘度和流动性,具有最好的抗烧蚀性能,质量烧蚀率为0.63×10-4 g·cm-2·s-1,线性烧蚀率为0.21 μm·s-1。当La2O3含量增加至20%时,玻璃态氧化膜粘度较低,降低了烧蚀表面的耐高速气流冲刷能力,复合材料烧蚀加剧。(3)在不同密度的C/C-ZrC-SiC复合材料中通过水热法引入La2O3构建La2O3呈梯度分布的C/C-ZrC-SiC-La2O3复合材料,并研究了复合材料的微观结构及抗烧蚀性能。当C/C-ZrC-SiC复合材料密度为1.4 g·cm-3时,所构建的复合材料(ZSL-3)具有最佳的抗烧蚀性能,质量烧蚀率为1.36×10-4 g·cm-2·s-1,线性烧蚀率为0.66μm·s-1。在烧蚀中心区,烧蚀表面形成的雪花状ZrO2与液态SiO2形成稳定玻璃相。此外,在液相中形成的La2Si2O7可以适当降低玻璃相的粘度,有利于烧蚀过程玻璃层的自愈合。在过渡区,ZSL-3形成的气泡延长了氧化性气氛的扩散路径,有效抑制复合材料的进一步氧化,提升复合材料的抗烧蚀性能。(4)将La2O3界面层、La2O3均匀分布和梯度分布方式的三种复合材料的抗烧蚀性能进行对比,La2O3均匀分布的复合材料形成了更均匀连续的的玻璃态氧化膜,能有效阻挡氧化性气体进入、抵抗高速气流冲刷,复合材料具有更好的抗烧蚀性能。
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