ZrCxOy陶瓷及其復合材料的制備與性能研究.pdf

1、本文以航天技術對新型高溫熱結構材料的需求為研究背景，采用液相轉化法制備了具有良好耐溫、抗氧化以及低熱導特性的ZrCxOy陶瓷及其復合材料，研究了 ZrCxOy陶瓷前驅體的交聯及無機化過程、ZrCxOy陶瓷的高溫特性、C/ZrCxOy復合材料的力學、熱物理、耐高溫性能及氧化燒蝕性能。為進一步提高復合材料的抗氧化性能，對比研究了SiOC陶瓷摻雜改性的C/SiZrOC復合材料的制備及性能。
　　以鋯酸四丁酯（Zr(OBu)4）為鋯源，二

2、乙烯基苯（DVB）為碳源，設計了ZrCxOy陶瓷前驅體，研究了前驅體的交聯及無機化過程，探索了 ZrCxOy陶瓷的高溫特性。前驅體在110℃以上能發(fā)生交聯固化，在150℃具有最好的交聯特性，150℃交聯產率約46.3％；前驅體經1200℃無機化，其陶瓷產率為23%，組成為ZrO2和C；裂解產物在高溫熱處理過程中，ZrO2與裂解碳在1400℃以上開始發(fā)生碳熱還原反應生成ZrCxOy陶瓷，升高反應溫度、延長反應時間能促使碳熱還原反應充分進行

3、，碳熱還原產物為單相的 ZrC0.84O0.07，晶格參數為4.688nm，改變熱處理工藝改變了ZrC0.84O0.07在復相陶瓷中比例，沒有改變ZrCxOy單相陶瓷中的碳氧比。
　　采用 PIP工藝制備 C/ZrCxOy復合材料，研究了材料的致密化過程及力學性能。復合材料的彎曲強度及壓縮強度隨材料密度增加而升高，其中，密度為2.43g/cm3時材料具有較好的力學性能，三點彎曲強度及壓縮強度分別為123MPa及164MPa，斷裂韌

4、性達到13.1MPa·m1/2。表征分析了C/ZrCxOy復合材料的熱物理性能：比熱容隨溫度的升高而增大，與密度無關，材料由室溫升至1200℃時，比熱容由0.56J·g-1·K-1升至1.18 J·g-1·K-1；材料的熱擴散系數和熱導率均隨密度的升高而升高，當材料密度達到2.43g/cm3時，其熱擴散系數和熱導率僅為1.23mm2·s-1和2.99W/m·k，C/ZrCxOy復合材料表現出較好的隔熱性能。
　　研究了 C/ZrC

5、xOy復合材料的耐高溫性能。材料經1400℃及以下溫度熱處理后，材料的強度基本保持不變；1500℃熱處理后材料強度開始下降；1600℃熱處理后材料熱損傷嚴重，其質量和強度保留率僅為86.4%和21.6%。C/ZrCxOy復合材料的高溫熱損傷源自基體碳熱還原發(fā)生引起的材料基體疏松及碳纖維侵蝕。
　　研究了C/ZrCxOy復合材料短時抗氧化燒蝕性能。C/ZrCxOy復合材料經1600℃空氣氧化150s，其質量和強度保留率分別為92.4

6、%和23.1%。經氧乙炔焰燒蝕考核30s后，復合材料燒蝕明顯，其質量燒蝕率和線燒蝕率分別為0.016g·s-1和0.105mm·s-1。
　　為提高材料的氧化燒蝕性能，將含硅聚合物——聚硅氧烷(PSO）引入到ZrCxOy前驅體溶液中，制備了SiOC改性的C/SiZrOC復合材料。C/SiZrOC復合材料的彎曲強度及壓縮強度隨材料密度增加而升高，其中，密度為2.04g/cm3時材料其三點彎曲強度及壓縮強度分別為197.1MPa及21

7、0.6MPa，斷裂韌性為23.56MPa·m1/2。C/SiZrOC的熱物理性能隨材料密度的變化規(guī)律與 C/ZrCxOy相同，材料密度為2.04g/cm3時，其熱擴散系數、比熱容及熱導率分別為1.196mm2/s0.639J/(gk)和1.55W/m·k。
　　研究了 C/SiZrOC復合材料的耐高溫性能。材料經1400℃及以下溫度熱處理后，材料的強度基本保持不變；1500℃熱處理后材料強度開始下降；1600℃熱處理后材料熱損傷嚴

8、重，其質量和強度保留率僅為62.5%和13.1%。與 C/ZrCxOy相比，C/SiZrOC的耐高溫性能有所下降。
　　研究了 C/SiZrOC復合材料短時抗氧化燒蝕性能。C/ZrCxOy復合材料經1600℃空氣氧化150s，其質量和強度保留率分別為83.5%和43.2%。經氧乙炔焰燒蝕考核30s后，復合材料燒蝕明顯，其質量燒蝕率和線燒蝕率分別為0.025g·s-1和0.133mm·s-1，表明SiOC的引入沒有提高材料的燒蝕性能