ZR-Ti合金反應(yīng)熔滲改性C-C復(fù)合材料的研究.pdf

1、為了提高C/C復(fù)合材料的抗氧化和抗燒蝕性能，滿足新型高速飛行器對耐熱結(jié)構(gòu)部件熱防護材料的需要。本文采用具有抗燒蝕性能的Zr-Ti-C陶瓷體系通過反應(yīng)熔滲工藝(RMI)對C/C復(fù)合材料進行基體改性。研究了反應(yīng)熔滲工藝的影響因素、材料組織和界面結(jié)構(gòu)、材料的燒蝕性能、材料物理性能以及材料的熱損傷機理。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合涂層和基體改性技術(shù)，制備了C/C-(Zr-Ti-C-B/SiC)復(fù)合材料，并深入分析了材料的結(jié)構(gòu)和性能。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:

2、
　　1、通過構(gòu)建Zr-Ti金屬熔體熔滲動力學(xué)模型，獲得了控制熔滲規(guī)律的內(nèi)在因素。在此基礎(chǔ)上，通過分析材料微觀形貌和孔徑分布闡明了Zr-Ti金屬熔體的熔滲機理。提高Zr原子在熔體中的含量可降低碳的擴散速率并延長孔隙封堵時間，有利于熔體充分滲入到束間孔隙，進而提高材料的終了密度以及陶瓷含量;
　　2、研究了改性C/C復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)、陶瓷物相及結(jié)構(gòu)演變機制。陶瓷中Zr、Ti原子呈梯度變化現(xiàn)象源于碳化物的析出機制:在碳化物析出

3、過程中，相對多的Zr原子優(yōu)先形成碳化物共晶組織并從熔體中析出，部分Ti原子留在熔體中滯后析出，從而造成了Zr、Ti原子在碳化物中呈梯度分布現(xiàn)象。此外，碳化物的生長還受其生長邊界處的層流邊界控制;
　　3、研究了陶瓷相含量、預(yù)制體結(jié)構(gòu)、密度對復(fù)合材料燒蝕性能的影響。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了兩個碳/陶燒蝕機理模型。高Zr含量的陶瓷改性樣品在2500℃燒蝕180s后的質(zhì)量和線燒蝕率分別僅為0.001mm/s和1.60 mg/s。該樣品具有優(yōu)異燒

4、蝕性能主要得益于材料表面在燒蝕過程中形成的由高熔點的ZrO2晶粒釘扎非晶態(tài)ZrTiO2組成的氧化保護膜。該膜具有適中的黏度和流動性，既能填充燒蝕缺陷，亦能抵抗高速氣流沖刷;
　　4、研究了改性復(fù)合材料的力學(xué)性能以及材料熱損傷行為和機理。C/C復(fù)合材料經(jīng)反應(yīng)熔滲改性后出現(xiàn)了力學(xué)性能下降以及斷裂行為發(fā)生變化的現(xiàn)象。復(fù)合材料中各組元之間的熱膨脹系數(shù)的差異以及Zr-Ti熔體與碳基體的體積收縮反應(yīng)導(dǎo)致高溫熱應(yīng)力和殘余熱應(yīng)力的產(chǎn)生。高溫熱應(yīng)力

5、通過對復(fù)合材料內(nèi)部纖維、熱解碳、陶瓷以及它們之間的界面的破壞或者這些組元的彈性形變而得到釋放。在應(yīng)力釋放方式上，細編穿刺結(jié)構(gòu)的材料主要以界面破壞方式進行;網(wǎng)胎結(jié)構(gòu)材料主要以纖維束斷裂的破壞方式進行，針刺整體氈則以界面破壞和纖維斷裂的兩種方式進行;
　　5、研究了改性復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。針刺整體氈結(jié)構(gòu)改性復(fù)合材料的熱擴散系數(shù)值為7.5 mm2·s-1，網(wǎng)胎結(jié)構(gòu)改性復(fù)合材料的室溫熱擴散系數(shù)值為6.7 mm2·s-1，低于采用相同方法改

6、性的C/C-SiC復(fù)合材料和C/C復(fù)合材料。此外，改性復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的上升不斷下降，網(wǎng)胎結(jié)構(gòu)的樣品在800℃時的導(dǎo)熱系數(shù)僅為3.1mm2·s-1，針刺結(jié)構(gòu)樣品在800℃時的導(dǎo)熱系數(shù)僅為2.2 mm2·s-1;
　　6、采用包埋料在Zr-Ti-C陶瓷改性C/C復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，成功完成了基體改性復(fù)合材料進一步涂層改性的目標，制得了C/C-(Zr-Ti-C-B/SiC)復(fù)合材料。該材料的表面陶瓷層主要由具有原子共格界面的Z