C-SiC-B4C-TiB2復(fù)合材料的組織與性能.pdf

1、碳材料由于具有耐高溫、耐腐蝕、抗熱沖擊、導(dǎo)電和導(dǎo)熱等優(yōu)良性能，因而被廣泛用于高溫領(lǐng)域，但是碳材料的高溫氧化性極大地限制了其應(yīng)用范圍，尤其是在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。在不同使用溫度下碳-陶瓷復(fù)合材料的自愈合抗氧化是目前研究的熱點(diǎn)，最近受到國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的重視。本文在利用有限元軟件(COSMOS Floworks)對(duì)高速飛行器表面氣動(dòng)氧化溫度及以碳纖維（C纖維）、天然鱗片石墨(C鱗片)、瀝青和石油焦(C顆粒)為C相的C-SiC-B4C-TiB2

2、復(fù)合材料氧化行為進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)上，選擇SiC、B4C和TiB2作為陶瓷相，天然鱗片石墨作為C相，分別采用均勻混合法和包覆法混合原料，通過(guò)熱壓燒結(jié)制備了C-SiC-B4C-TiB2復(fù)合材料，并詳細(xì)研究了復(fù)合材料的制備工藝、力學(xué)性能、抗氧化性能和顯微組織。論文得到的主要結(jié)論如下：
　　 1.對(duì)返回艙再入大氣層時(shí)的三維流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算表明：當(dāng)返回艙以6Ma飛行時(shí)，返回艙在迎風(fēng)面的溫度為1500℃～1650℃，迎風(fēng)面的最高溫度為1679℃，

3、最大熱流計(jì)算值為2.67×106W/m2。
　　 2.對(duì)C鱗片、C纖維和C顆粒三種不同C相的復(fù)合材料進(jìn)行氧化模擬可知：C鱗片-SiC-B4C-TiB2復(fù)合材料的抗氧化能力優(yōu)于以C纖維和C顆粒為C相的復(fù)合材料；C鱗片為C相的C鱗片-SiC-B4C-TiB2復(fù)合材料在氧化過(guò)程中，環(huán)境溫度、材料組分、材料相對(duì)密度以及C鱗片的有序化程度均對(duì)復(fù)合材料的溫度分布有明顯影響，復(fù)合材料表面的熱流值為2.67×106W/m2時(shí)，溫度為1650℃；

4、當(dāng)SiC和B4C的質(zhì)量比為5:1,C鱗片質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為65％,C鱗片有序排列成石墨層時(shí)，復(fù)合材料的燒蝕率最低為0.135mm/s，復(fù)合材料氧化時(shí)的溫度場(chǎng)為層狀分布。
　　 3.對(duì)均勻混合法制備的C鱗片-SiC-B4C-TiB2復(fù)合材料，研究表明：隨著熱壓溫度的升高，復(fù)合材料中的C相變薄并逐漸形成了條狀的C鱗片結(jié)構(gòu)，陶瓷相逐步聚集長(zhǎng)大，C相和SiC逐漸致密化，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性均明顯提高；隨著C鱗片質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的提高，復(fù)合材

5、料的斷裂韌性升高而抗彎強(qiáng)度降低；當(dāng)C鱗片質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為20％、熱壓溫度為2000℃時(shí)，復(fù)合材料綜合力學(xué)性能最佳，其體積密度、氣孔率、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別達(dá)到2.81g/cm3、2.1％、279MPa和5.3MPa.m1/2；復(fù)合材料中C鱗片與陶瓷相的熱膨脹不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致的碳-陶弱界面分層誘導(dǎo)韌化是復(fù)合材料斷裂韌性提高的主要原因。
　　 4.對(duì)均勻混合法制備的C鱗片-SiC-B4C-TiB2復(fù)合材料進(jìn)行氧化研究表明：復(fù)合材

6、料在600℃、800℃、1000℃、1200℃和1400℃等不同溫度下的氧化動(dòng)力學(xué)規(guī)律均為拋物線“鈍化氧化”規(guī)律；在600℃氧化時(shí)，復(fù)合材料基本不氧化。在800℃和1000℃氧化時(shí).氧化膜不連續(xù)，玻璃相未完全填封材料中的孔隙。在1200℃和1400℃氧化時(shí)，復(fù)合材料的表面覆蓋著一層致密的硼硅酸鹽(B2O3·SiO2)和硼鈦酸鹽(B2O3·TiO2)保護(hù)膜。在600℃～1400℃氧化時(shí)，氧化膜由表及里分別為玻璃層、氧化層和氧化過(guò)渡層；當(dāng)C

7、鱗片質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為20％、熱壓溫度為2000℃時(shí)，復(fù)合材料具有最佳的抗氧化性，在1400℃氧化6h后，氧化深度僅為400μm，氧化失重僅為2.50mg/cm2。
　　 5.對(duì)于均勻混合法制備20wt.％C鱗片-SiC-B4C-TiB2復(fù)合材料的氧化機(jī)理研究表明：在530℃～960℃范圍內(nèi)復(fù)合材料的氧化為化學(xué)反應(yīng)控制的氧化，氧化過(guò)程受C、TiB2和B4C的氧化反應(yīng)控制；在960℃～1100℃范圍內(nèi)復(fù)合材料的氧化為O2擴(kuò)散控制的氧化，

8、隨著氧化溫度的升高，B2O3逐漸揮發(fā)，氧化膜內(nèi)氣泡的數(shù)目也越來(lái)越多，尺寸也越來(lái)越大；在1100℃～1300℃范圍內(nèi)復(fù)合材料的氧化為O2通過(guò)氣泡控制的氧化，隨著氧化溫度的增加，SiC氧化成SiO2，氧化膜厚度不斷增加，缺陷不斷被封填，自愈合能力增強(qiáng)；在1300℃～1400℃范圍內(nèi)復(fù)合材料的氧化為SiC-O2反應(yīng)和TiB2-O2反應(yīng)控制的氧化。
　　 擴(kuò)散控制的氧化動(dòng)力學(xué)方程為：
　　 △W=-3×10-5T2+0.0346

9、T-9.2899
　　 擴(kuò)散控制的氧化動(dòng)力學(xué)模型為：
　　 6.對(duì)包覆法制備的50wt.％C鱗片-SiC-B4C-TiB2復(fù)合材料進(jìn)行研究表明：C相的存在形式主要為直徑約40μm的橄欖球狀和長(zhǎng)度約0.5mm～1mm的條狀；復(fù)合材料的體積密度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性均隨熱壓溫度的升高而增加，熱壓溫度為2000℃時(shí)，復(fù)合材料的體積密度、氣孔率、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別達(dá)到2.41g/cm3、3.42％、176.5MPa和6.1MP