超(chao)高(gao)溫用(yong)碳/碳復(fu)合材(cai)料(liao)研究進(jin)展(zhan)

    碳/碳復(fu)合材(cai)料(liao),即碳纖(xian)維增強碳基(ji)體復(fu)合材(cai)料(liao)， 具有高(gao)比強度(du)、高(gao)比模(mo)量、熱膨脹(zhang)系(xi)數(shu)低(di)、抗熱震(zhen)和(he) 耐燒蝕(shi)性能(neng)好等壹(yi)系(xi)列(lie)優(you)良的(de)物理(li)化學性能(neng)，而(er)且(qie)在(zai)較寬(kuan)的(de)溫域(yu)範(fan)圍內(nei)擁有較(jiao)好的抗蠕變(bian)性能(neng)和(he)較高(gao)的強度(du)保留(liu)率。

   隨著(zhe)航(hang)天(tian)航(hang)空技(ji)術的(de)不(bu)斷發(fa)展(zhan)，飛行(xing)器(qi)的(de)服(fu)役(yi)環境(jing)也(ye)愈(yu)加的嚴(yan)苛(ke)，對碳/碳復(fu)合材(cai)料(liao)高(gao)溫苛(ke)刻環境(jing)下(xia)的(de)耐燒蝕(shi)性能(neng)提(ti)出(chu)了更(geng)高(gao)的要求(qiu),提(ti)高(gao)碳/碳復(fu)合材(cai)料(liao)的耐燒蝕(shi)性能(neng)現(xian)已(yi)成為(wei)研究領域(yu)的(de)熱點。將超高(gao)溫陶瓷引入(ru)到碳/碳復(fu)合材(cai)料(liao)體系內(nei)，制(zhi)備出(chu)超(chao)高(gao)溫陶瓷改性碳/碳復(fu)合材(cai)料(liao)，研究結(jie)果表(biao)明可以(yi)有效(xiao)地提(ti)高(gao)碳/碳復(fu)合材(cai)料(liao)的耐燒蝕(shi)性能(neng)。超(chao)高(gao)溫陶瓷改性碳/碳復(fu)合材(cai)料(liao)的制(zhi)備工(gong)藝(yi)大(da)致(zhi)分為(wei)兩(liang)種:

①前(qian)驅體浸漬裂(lie)解(jie)法(fa)；

②反應(ying)熔(rong)滲法。



1 前(qian)驅體浸漬裂(lie)解(jie)法(fa)

    前(qian)驅(qu)體浸漬裂(lie)解(jie)法(fa)又(you)被(bei)稱為(wei)前驅(qu)體轉化法(fa)。具體步(bu)驟(zhou)大(da)致(zhi)如下(xia):將碳/碳材(cai)料(liao)預(yu)制(zhi)體置(zhi)入(ru)壹定(ding)溫度(du)和(he)壓力(li)下的浸(jin)漬容器(qi)中,加(jia)入(ru)浸漬(zi)液(ye)使之滲入(ru)到碳/碳材(cai)料(liao)內(nei)部的(de)空隙(xi)中，固(gu)化交(jiao)聯，隨後在(zai)惰(duo)性氣氛保護下進行(xing)高(gao)溫裂(lie)解(jie)，使先驅體浸漬液(ye)轉化為(wei)陶瓷相，經(jing)過數(shu)次(ci)循環“浸(jin)漬(zi)-裂(lie)解(jie)”過程(cheng)，最終(zhong)制(zhi)備出(chu)超(chao)高(gao)溫陶瓷基(ji)改性復(fu)合材(cai)料(liao)。經過研究人員(yuan)的(de)不(bu)懈努(nu)力(li)，現(xian)已(yi)制(zhi)備出(chu)ZrC改性C/C復(fu)合材(cai)料(liao)、HfC改性C/C復(fu)合材(cai)料(liao)和(he)復(fu)相陶(tao)瓷改性C/C復(fu)合材(cai)料(liao)。

   楊鑫(xin)等制(zhi)備出(chu)ZrC質(zhi)量分數為(wei)26.46%的 C/CZrC復(fu)合材(cai)料(liao)，進壹(yi)步(bu)探究了燒蝕(shi)時間對復(fu)合材(cai)料(liao)燒蝕(shi)性能(neng)的(de)影響(xiang)，試驗(yan)結(jie)果表(biao)明:經GJB 323A-96氧乙炔焰燒蝕(shi)標準(zhun)20s測試(shi)後,樣品的質(zhi)量和(he)線(xian)燒蝕(shi)率分別為(wei)3.3mg/s和(he)12μm/s，與未(wei)引入(ru)ZrC陶瓷相的(de)C/C復(fu)合材(cai)料(liao)相比(bi)分別降低了50% 和(he)7.6%；同(tong)樣(yang)條件下(xia)對樣(yang)品進行(xing)50s的(de)燒蝕(shi)，質(zhi)量和(he) 線(xian)燒蝕(shi)率分別為(wei)2.2mg/s和(he)5.2μm/s。當(dang)燒蝕(shi)過程(cheng)較(jiao)短(duan)時，C/C-ZrC 復(fu)合材(cai)料(liao)表(biao)面形成的(de) ZrO2 保(bao)護膜不(bu)連(lian)續、不(bu)致(zhi)密，氧化性氣體極易(yi)擴散到基(ji)體的內(nei)部與(yu)炭反應(ying)，隨著(zhe)燒蝕(shi)過程(cheng)的(de)延(yan)長(chang)，生(sheng)成的(de)ZrO2 保護(hu)膜逐漸(jian)的趨(qu)於連(lian)續和(he)致(zhi)密，有效(xiao)地降低了氧化性氣體向內(nei)部擴散的速度(du)，並且(qie)熔(rong)融(rong)態(tai)的(de)氧化物(wu)保(bao)護層(ceng)還(hai)能(neng)進(jin)壹步(bu)填(tian)充(chong)材(cai)料(liao)表(biao)面的凹(ao)坑(keng)和(he)裂(lie)紋(wen)等缺(que)陷。

  李(li)春(chun)等利(li)用(yong) HfOCl2 ·8H2O 作(zuo)為(wei)HfC陶瓷相的(de)先(xian)驅體浸漬液(ye)制(zhi)備出(chu)C/C-HfC復(fu)合材(cai)料(liao)，對試(shi)樣(yang)的(de)機械性能(neng)、熱膨脹(zhang)系(xi)數(shu)、熱導(dao)率和(he)耐燒蝕(shi)性能(neng)進(jin)行(xing)了研究，結(jie)果表(biao)明:HfC陶瓷相的(de)引入(ru)提(ti)高(gao)了復(fu)合材(cai)料(liao)的導(dao)熱系數(shu)和(he)耐燒蝕(shi)性能(neng)，當(dang)HfC的含量(liang)為(wei)6.5 wt% 時，材(cai)料(liao)表(biao)現(xian)出最優(you)的(de)導(dao)熱系數(shu)和(he)耐燒蝕(shi)性能(neng)。

   李(li)克智(zhi)等采(cai)用(yong)混合的(de) ZrC 和(he)SiC先驅(qu)體浸漬液(ye)制(zhi)備出(chu)C/C-ZrC-SiC復(fu)合材(cai)料(liao)，並研究了三種C/C預(yu)制(zhi)體起 始(shi)密(mi)度(du)對最終(zhong)C/C-ZrC-SiC復(fu)合材(cai)料(liao)燒蝕(shi)性能(neng)的(de)影響(xiang)，結(jie)果表(biao)明:采用(yong)密度(du)為(wei)1.21 g/cm3 的C/C預(yu)制(zhi)體進行(xing)PIP工(gong)藝(yi)，最終(zhong)的(de)C/C-ZrC-SiC復(fu)合材(cai)料(liao)燒蝕(shi)性能(neng)最好。

2 反應(ying)熔(rong)滲法

   反應(ying)熔(rong)滲法，將金屬或合金(jin)粉(fen)末與添(tian)加劑(ji)按(an)壹 定(ding)比例(li)混勻，在(zai)高(gao)溫條件下(xia)，熔(rong)融(rong)的(de)金(jin)屬(shu)滲入(ru)到多(duo)孔(kong)C/C復(fu)合材(cai)料(liao)坯體內(nei)，通(tong)過碳熱反應(ying)生(sheng)成陶(tao)瓷基(ji)體。

    房嘯(xiao)采(cai)用(yong)2D針(zhen)刺(ci)和(he)三維細編穿(chuan)刺(ci)預(yu)制(zhi)體制(zhi)備C/C-SiC-ZrC復(fu)合材(cai)料(liao)，對兩(liang)種材(cai)料(liao)的燒蝕(shi)性能(neng)進(jin)行(xing)了探究。結(jie)果表(biao)明:2D 針(zhen)刺(ci)編制(zhi)預(yu)制(zhi)體制(zhi)備的(de) C/CSiC-ZrC 復(fu)合材(cai)料(liao)的燒蝕(shi)性能(neng)要(yao)優於三維編制(zhi)預(yu)制(zhi) 體制(zhi)備的(de) C/C-SiC-ZrC 復(fu)合材(cai)料(liao)。三維編制(zhi)預(yu)制(zhi)體 內(nei)部纖(xian)維密(mi)度(du)較高(gao)，孔隙較少，熔(rong)滲過程(cheng)中生(sheng)成SiCZrC陶(tao)瓷相的(de)空間相對較(jiao)少(shao), 造(zao)成 SiC-ZrC陶瓷含量(liang)較(jiao)低，最終(zhong)導(dao)致(zhi)材(cai)料(liao)的耐燒蝕(shi)性能(neng)較(jiao)差。

  童陽等按(an)照壹(yi)定比例(li)將 Zr-Si 粉(fen)末熔(rong)滲到C/C坯體內(nei)，制(zhi)備出(chu) C/C-ZrC 復(fu)合材(cai)料(liao),具有良好的耐燒蝕(shi)性能(neng)。 

  朱玉等報道了向(xiang) C/C 預(yu)制(zhi)體內(nei)熔(rong)滲Zr-Cu合金(jin)，在(zai)1473K條件下(xia)制(zhi)備Cf/ZrC復(fu)合材(cai)料(liao)。研究發(fa)現(xian):壹方(fang)面，樣品中ZrC陶(tao)瓷相的(de)含(han)量隨著(zhe)Zr-Cu合(he)金(jin)中銅(tong)含(han)量(liang)的增多(duo)而(er)減少；另(ling)壹(yi)方(fang)面，銅(tong)的(de)引入(ru)極大(da)地降 低了樣(yang)品的制(zhi)備溫度(du)，進而(er)減少了高(gao)溫反應(ying)時對纖(xian) 維的(de)損(sun)傷。然而(er)，當(dang)銅(tong)過量(liang)時，將會(hui)形成Zr-Cu-C的(de)共(gong)晶體，使試樣中ZrC陶(tao)瓷相的(de)含(han)量減少，導(dao)致(zhi)材(cai)料(liao)的耐燒蝕(shi)性能(neng)下(xia)降。

   目(mu)前通(tong)過前(qian)驅(qu)體浸漬裂(lie)解(jie)法(fa)和(he)反應(ying)熔(rong)滲法還(hai) 只能(neng)提(ti)高(gao)碳/碳復(fu)合材(cai)料(liao)的短(duan)時超高(gao)溫耐燒蝕(shi)性能(neng)， 而(er)想(xiang)要取得(de)長(chang)時超高(gao)溫耐燒蝕(shi)方(fang)面的進(jin)步(bu)，單(dan)靠(kao)上述(shu)兩(liang)類(lei)工藝(yi)是(shi)無(wu)法滿足(zu)的(de)，還(hai)必(bi)須與塗(tu)層(ceng)改性技(ji)術結(jie)合。通(tong)過對塗(tu)層(ceng)結(jie)構和(he)體系的設(she)計(ji)(如多(duo)層(ceng)復(fu)合塗(tu)層(ceng))探尋更(geng)好的陶瓷組分(fen)配(pei)比和(he)工藝(yi)。 同(tong)時，還(hai)必(bi)須發(fa)展(zhan)與真(zhen)實應(ying)用(yong)環境(jing)相(xiang)似的檢(jian)測技(ji)術，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)對新(xin)壹(yi)代(dai)飛(fei)行(xing)器(qi)熱防護(hu)系統(tong)的(de)全溫域(yu)長(chang)時燒蝕(shi)防護(hu)。更多(duo)碳碳復(fu)合材(cai)料(liao)信息可查(zha)看http://youtv.com.cn/