熔融浸滲反應工藝制備C-ZrC復合材料及其性能研究.pdf

1、高超聲速飛行器日益惡劣的工況對防熱結構部件提出了新的需求，傳統(tǒng)的高溫結構材料已不能完全滿足其應用環(huán)境，因此開展耐超高溫、高韌性、抗熱震、抗燒蝕的連續(xù)纖維增強超高溫陶瓷基復合材料的研究迫在眉睫。連續(xù)碳纖維增強ZrC超高溫陶瓷基復合材料（C/ZrC）由于具有上述優(yōu)異的綜合性能而受到了廣泛關注和研究。在 C/ZrC復合材料的眾多制備工藝中，熔融浸滲反應工藝（RMI）具有成本低、周期短以及可近凈成型的優(yōu)點，但目前RMI工藝制備C/ZrC復合材料

2、的研究工作系統(tǒng)性和機理研究有待加強。本研究主要內容包括：
　?、叛芯亢蛢?yōu)化了RMI工藝制備 C/ZrC復合材料的工藝參數(shù)，確定了反應溫度2000℃，反應時間30min，反應壓力為真空的優(yōu)化工藝條件。首先，研究1900~2100℃范圍內反應溫度對C/ZrC復合材料微觀結構和性能的影響，確定了2000℃制備的C/ZrC復合材料綜合性能最優(yōu)。復合材料致密度最高，彎曲強度和模量分別為148MPa和15.8GPa，氧乙炔焰質量燒蝕率和線燒蝕

3、率分別為0.0037g/s和0.0033mm/s。其次，研究5~120min范圍內反應時間對C/ZrC復合材料微觀結構和性能的影響，確定30min制備的C/ZrC復合材料綜合性能最優(yōu)。反應時間超過30min后纖維退化和損傷加劇，導致力學性能降低。30min制備的復合材料彎曲強度和模量分別為175MPa和16.7GPa，氧乙炔焰質量燒蝕率和線燒蝕率分別為0.0039g/s和0.0027mm/s。最后，研究0.01kPa~0.15MPa反應

4、壓力的影響，爐壓對復合材料的力學和燒蝕性能均無顯著影響，但考慮復合材料的致密度和工藝性確定真空條件較優(yōu)。
　?、蒲芯苛硕嗫證/C基材碳基體類型、含量（密度）和石墨化程度對C/ZrC復合材料的微觀形貌和性能的影響，結果表明CVI工藝制備密度為1.40 g/cm3的C/C基材是較好的原料。首先，研究了碳基體類型對C/ZrC復合材料微觀結構和性能的影響。對酚醛樹脂裂解、瀝青裂解和CVI沉積制備的三種C/C基材進行了研究，其中CVI C/

5、C基材制備的C/ZrC復合材料力學和燒蝕性能均較優(yōu)。因此，CVI工藝制備的C/C基材更適于RMI工藝制備C/ZrC復合材料。其次，研究了C/C基材密度（1.12~1.60g/cm3）對C/ZrC復合材料微觀結構和性能的影響。隨C/C基材密度提高，C/ZrC復合材料的力學性能得到增強，但氧乙炔焰燒蝕性能下降。密度為1.40 g/cm3的C/C基材制得的C/ZrC復合材料彎曲強度和模量分別為203MPa和15.5GPa，質量燒蝕率和線燒蝕率

6、分別為0.0050g/s和0.0010mm/s，展現(xiàn)了優(yōu)異的綜合性能。最后，研究了C/C基材石墨化處理對C/ZrC復合材料微觀結構和性能的影響，但結果表明C/C基材石墨化處理對C/ZrC復合材料致密度、彎曲強度和抗燒蝕性能均并無顯著影響。
　?、茄芯苛薈/ZrC復合材料SiC后處理對微觀結構和性能的影響。采用PIP和氣相滲硅（VSI）工藝引入SiC對RMI工藝制備C/ZrC復合材料的殘留開孔進行后續(xù)致密化，復合材料的致密度和力學性

7、能均得到了提高。引入 VSI-SiC后，復合材料的彎曲強度、模量和斷裂韌性從155MPa、12.8GPa和5.0MPa?m1/2提高到235MPa、17.3GPa和7.0MPa?m1/2，引入 PIP-SiC后提高到263MPa、33.1GPa和11.0MPa?m1/2。SiC的引入提高了復合材料1600℃的抗氧化性能，其中引入VSI-SiC后彎曲強度保留率高達95％。VSI-SiC處理后復合材料的氧乙炔焰線燒蝕率基本不變，質量燒蝕率從

8、0.0031g/s升高到0.0071g/s，但燒蝕表面形貌大幅改善。
　?、妊芯苛薈/ZrC復合材料1200~2000℃熱處理對微觀結構和性能的影響。熱處理后殘Zr率下降，力學性能和燒蝕性能均提高。1600℃處理后的復合材料綜合性能最優(yōu)，彎曲強度和模量從131MPa和11.0GPa提高到192MPa和17.7 GPa，質量燒蝕率和線燒蝕率從0.0046 g/s和0.0035 mm/s降低到0.0040 g/s和0.0017 mm/

9、s。
　　⑸研究了PIP-C、CVD-C和PIP-SiC界面涂層對C/ZrC復合材料性能的影響。PIP-C涂層對C/ZrC復合材料的力學和燒蝕性能幾乎沒有影響，而PIP-SiC涂層則降低C/ZrC復合材料的力學和燒蝕性能。CVD-C界面涂層能提高C/ZrC復合材料力學性能，對燒蝕性能幾乎沒有影響。其中，纖維表面沉積15h CVD-C涂層的C/ZrC復合材料的性能最優(yōu)，彎曲強度和模量分別為121MPa和9.8GPa。該部分研究的C/

10、C基材與前述優(yōu)化的C/C基材參數(shù)存在差異，因而制得C/ZrC復合材料性能存在差異，但纖維表面涂層對性能影響的趨勢是一致的。
　?、恃芯苛薘MI工藝過程中的潤濕、浸滲行為和反應動力學。首先，研究了熔融Zr與石墨及多孔C/C基材間的潤濕性。由于熔融Zr與反應產物的潤濕性良好，Zr-C反應過程會推動熔體向反應前沿的鋪展。因此Zr-C體系由于反應的存在而具有良好的潤濕性，對浸滲過程具有促進作用。其次，通過毛細上升實驗分析浸滲行為，探討了浸

11、滲機理。RMI工藝過程中，熔融Zr在多孔C/C基材中的浸滲行為符合改進的Washburn公式，即熔體的最大浸滲高度由與毛細壓力有關的孔徑r1決定，而熔體的初始浸滲速率由與粘滯阻力有關的r2決定，且由于反應的存在r1和r2是隨時間改變的。最后，在Zr-C反應熱力學和動力學分析的基礎上研究了Zr-C反應機理。熱力學分析表明，Zr-C反應可在室溫以上自動進行，反應過程強烈放熱。DTA曲線和Zr-C粉末反應結果說明Zr-C固—固反應的起始溫度約