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SiC-ZrC复相超高温陶瓷改性C/C复合材料的研究进展

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材料导报 2024年第3期38卷 80-89页

作者：张倩玮陈意高崔红吴小军西安航天复合材料研究所西安710025

SiC-ZrC复相超高温陶瓷改性C/C复合材料的制备工艺原理与单一陶瓷相改性C/C复合材料的工艺原理基本相同,但SiC-ZrC复相陶瓷具有耐高温、温域宽(1600~2500℃)、抗氧化、工艺适应性好等优点,在测试和应用中表现出优异的力学性能和抗烧蚀性... 详细信息

SiC-ZrC复相超高温陶瓷改性C/C复合材料的制备工艺原理与单一陶瓷相改性C/C复合材料的工艺原理基本相同,但SiC-ZrC复相陶瓷具有耐高温、温域宽(1600~2500℃)、抗氧化、工艺适应性好等优点,在测试和应用中表现出优异的力学性能和抗烧蚀性能,能够有效填补目前高温段热防护材料的空缺,因此已经成为C/C复合材料基体掺杂改性的重要选择,在航天飞行器防热领域极具应用潜力。本文针对C/C-SiC-ZrC复合材料的发展潜力和应用空间,从制备工艺、结构特征以及性能特点三个方面综述了C/C-SiC-ZrC复合材料当前的研究进展,分析了制备工艺对复合材料微结构和性能的影响规律,提出了基于工程应用C/C-SiC-ZrC防热材料的发展建议。

关键词： C/C复合材料 SiC-ZrC复相陶瓷基体改性

超高温陶瓷改性C/C复合材料抗烧蚀性能研究进展

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材料导报 2024年第S1期38卷 122-128页

作者：王卓凡艾德文王坤杰谢栋西安航天复合材料研究所西安710025 海军装备部北京100071

随着航空航天事业的发展,C/C复合材料被广泛应用于该领域,但是高温抗氧化性能较差的缺点限制了它的使用范围。通过基体改性的方法将超高温陶瓷(UHTCs)引入到C/C复合材料中是提高C/C复合材料抗氧化烧蚀性能的主要方法。本文主要介绍了不... 详细信息

随着航空航天事业的发展,C/C复合材料被广泛应用于该领域,但是高温抗氧化性能较差的缺点限制了它的使用范围。通过基体改性的方法将超高温陶瓷(UHTCs)引入到C/C复合材料中是提高C/C复合材料抗氧化烧蚀性能的主要方法。本文主要介绍了不同超高温陶瓷相对C/C-UHTCs复合材料烧蚀性能的影响,分析了相应的烧蚀机理和烧蚀性能不同测试方法的特点,并针对C/C-UHTCs复合材料的长效热防护、性能优化作出了展望。

关键词：超高温陶瓷 C/C复合材料基体改性抗烧蚀性能

YbSiO改性SiC/SiC复合材料氧化行为研究(英文)

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无机材料学报 2024年

作者：穆爽马沁张禹沈旭杨金山董绍明中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室中国科学院大学材料与光电研究中心

碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC复合材料)具有低密度、耐高温、高强度等优异性能，在热端部件结构材料领域具有广泛应用前景。本研究通过溶胶-凝胶法在SiC纤维束内引入Yb2Si2O7抗氧化相，并结合化学气相沉积法沉积SiC基体... 详细信息

碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC复合材料)具有低密度、耐高温、高强度等优异性能，在热端部件结构材料领域具有广泛应用前景。本研究通过溶胶-凝胶法在SiC纤维束内引入Yb2Si2O7抗氧化相，并结合化学气相沉积法沉积SiC基体，制备了Yb2Si2O7改性SiC/SiC复合材料(SiC/SiC-Yb2Si2O7复合材料)，讨论了Yb2Si2O7对SiC/SiC复合材料微观结构、力学及氧化性能的影响。结果表明，SiC/SiC复合材料经过1200 °C和1400 °C静态空气氧化50 h后的强度保持率分别为77%和70%，拉伸断口处观察到纤维基体平齐断裂。而溶胶-凝胶法引入的Yb2Si2O7在基体中部分呈层状分布，层状Yb2Si2O7相有利于材料的增韧，拉伸断口会出现层间脱黏现象，扩展了SiC/SiC复合材料能量耗散机制。SiC/SiC-Yb2Si2O7复合材料的室温拉伸强度为484 MPa，在1200 °C和1400 °C静态空气中氧化50 h后的剩余强度分别为425 MPa和374 MPa，强度保留率分别为88%和77%，仍表现出典型的非脆性断裂特征。而EDS结果显示， SiC/SiC复合材料断口处界面氧含量大于SiC/SiC-Yb2Si2O7复合材料，说明引入Yb2Si2O7缓解了氧向界面内的扩散，改善了SiC/SiC复合材料的抗氧化性能。

关键词： SiC/SiC复合材料基体改性 Yb Si O 氧化行为

改性C/SiC-ZrC复合材料热化学烧蚀仿真研究

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复合材料科学与工程 2024年第6期 22-28页

作者：张川电陈涛段振岩刘凤宇武汉理工大学机电工程学院武汉430070

基于C/SiC复合材料基体改性制备超高温陶瓷基复合材料,是满足高超音速飞行器对热防护系统材料所需更高要求的有效途径。基于热化学平衡理论构建了C/SiC-ZrC复合材料的烧蚀模型,选取文献中相同制备方式下两组不同体积分数的C/SiC-ZrC复... 详细信息

基于C/SiC复合材料基体改性制备超高温陶瓷基复合材料,是满足高超音速飞行器对热防护系统材料所需更高要求的有效途径。基于热化学平衡理论构建了C/SiC-ZrC复合材料的烧蚀模型,选取文献中相同制备方式下两组不同体积分数的C/SiC-ZrC复合材料,并利用MATLAB计算出两组材料的无量纲烧蚀率,然后在COMSOL多物理场分析软件中建立数值仿真,将仿真结果与文献实验结果进行对比,误差分别为8.7%~16.9%和1.05%~11.07%,验证了模型的有效性。

关键词： C/SiC-ZrC复合材料基体改性烧蚀热化学平衡数值分析

HfCNWs@RGO-CF/C复合材料杂化预制体的构建及其强韧机制研究

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HfCNWs@RGO-CF/C复合材料杂化预制体的构建及其强韧机制研究

作者：刘桐重庆交通大学

学位级别：硕士

2D针刺碳/碳复合材料(C/Cs)作为重要的高温热结构材料在航空航天等领域具有重要应用,但该材料的内部远离碳纤维(CF)的微纳区域存在大量未被碳纤维增强的热解碳(Py C)基体,在加工成尖锐薄壁件时纤维变短对碳基体的增强效果进一步减弱,易... 详细信息

2D针刺碳/碳复合材料(C/Cs)作为重要的高温热结构材料在航空航天等领域具有重要应用,但该材料的内部远离碳纤维(CF)的微纳区域存在大量未被碳纤维增强的热解碳(Py C)基体,在加工成尖锐薄壁件时纤维变短对碳基体的增强效果进一步减弱,易引发崩裂性破坏,而且在服役过程中基体也易产生裂纹而降低力学性能,这极大地限制了C/Cs在新一代空天高技术装备的深入应用。本论文以水热自组装法将还原氧化石墨烯(RGO)接枝到CF上形成“桥连结构”,为碳化铪纳米线(HfCNWs)通过催化化学气相沉积(CCVD)在远离CF的微纳区域原位生长提供支点,利用HfCNWs与RGO的协同作用增强远离CF的Py C基体,实现C/Cs力学性能的提高。本论文研究了HfCNWs@RGO-CF杂化预制体的构筑工艺,表征了HfCNWs@RGO-CF杂化预制体的物相组成、微观形貌与结构,分析了HfCNWs与RGO对复合材料微观结构和力学性能的影响,揭示RGO、HfCNWs对C/Cs协同强韧机制,本论文的主要研究内容与结论如下:(1)HfCNWs@RGO-CF杂化预制体的构筑工艺研究。以真空浸渍与注射法将不同浓度的GO溶液引入至碳纤维预制体中,利用水热自组装法成功的将RGO接枝到CF上形成“桥连结构”,探究了RGO-CF杂化预制体中RGO含量对微观形貌的影响,再利用CCVD法在RGO-CF杂化预制体中原位生长HfCNWs,研究了沉积温度、沉积时间对HfCNWs物相组成和微观形貌的影响,分析了HfCNWs的生长机制。结果表明:在60-120 min内,随着沉积时间增加,HfCNWs的长度和产量逐渐增加;在1050-1150℃内,随着沉积温度提高,HfCNWs的长度、直径与产量逐渐增加;HfCNWs的生长机制为顶部型气-液-固(VLS)机制。(2)RGO与HfCNWs对Py C基体的沉积速率和微观结构的影响规律。采用等温化学气相渗透(TCVI)工艺对HfCNWs@RGO-CF杂化预制体进行致密化,探讨了RGO与HfCNWs对Py C沉积速率、Py C织构、复合材料物相组成和微观结构的影响。研究表明:RGO与HfCNWs的引入能够加快致密化前期Py C的沉积速率,降低材料光学活性,形成各向同性(ISO)Py C;引入RGO能细化Py C基体形成“细晶效应”,减少环状裂纹生成;引入HfCNWs能进一步细化Py C基体,形成新的核-壳结构,为复合材料提供丰富的微界面。(3)RGO和HfCNWs对C/Cs的协同强韧机制。通过对复合材料进行力学性能测试,结合断面显微结构组织观察,揭示了RGO和HfCNWs对复合材料力学性能的强韧机制。研究表明:与C/Cs相比,HfCNWs@RGO-C/Cs弯曲强度、面内压缩强度和断裂韧性分别提升了12.1%、4.6%和6.3%。引入RGO与HfCNWs后,复合材料缺陷减少,远离CF的碳基体被增强,裂纹扩展也受到HfCNWs断裂与拔出过程的阻碍,这些积极作用直接增强了复合材料的力学性能。此外,这两种纳米材料的引入还细化了Py C基体、形成丰富的微界面使裂纹扩展需要消耗更多的能量,进而间接增强了复合材料的力学性能。

关键词：碳化铪纳米线还原氧化石墨烯基体改性碳/碳复合材料

低温反应熔渗工艺制备改性C/C复合材料的研究进展

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炭素 2024年第1期 24-35页

作者：胡一杰张栖岩吴小军杨云鹏张倩玮王卓凡西安航天复合材料研究所西安710025

反应熔渗工艺(RMI)制备改性C/C复合材料由于具有工艺周期短、工艺成本低、产品致密度高等优点而受到广泛关注.但是传统反应熔渗中存在基体熔渗损伤和熔渗剂残留等问题,影响复合材料性能.为进一步提升熔渗材料的性能,国内外学者针对低温... 详细信息

反应熔渗工艺(RMI)制备改性C/C复合材料由于具有工艺周期短、工艺成本低、产品致密度高等优点而受到广泛关注.但是传统反应熔渗中存在基体熔渗损伤和熔渗剂残留等问题,影响复合材料性能.为进一步提升熔渗材料的性能,国内外学者针对低温熔渗方法存在的问题开展了大量研究的工作,本文主要从反应熔渗原理、熔渗工艺影响因素等方面对低温反应熔渗法进行了综述,并介绍了低温反应熔渗技术在熔渗组分、致密化工艺等方面的研究进展,最后指出了目前反应熔渗工艺存在的问题和研究方向.

关键词： C/C复合材料低温反应熔渗基体改性抗烧蚀性能

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碳纤维增强复合材料阻尼性能的研究进展

材料导报 2024年

作者：孙国栋吕龙飞解静贾研康凯郑斌尹昭怡田清来长安大学材料科学与工程学院

针对工程应用中不可避免地振动、冲击和噪声等引起的零件失效、精度下降和结构损伤等一系列负面影响，材料阻尼性能的研究和预测显得尤为重要。碳纤维增强复合材料作为结构材料，对其阻尼性能的探索已开展了较多的研究和预测。本文阐述... 详细信息

针对工程应用中不可避免地振动、冲击和噪声等引起的零件失效、精度下降和结构损伤等一系列负面影响，材料阻尼性能的研究和预测显得尤为重要。碳纤维增强复合材料作为结构材料，对其阻尼性能的探索已开展了较多的研究和预测。本文阐述了碳纤维增强复合材料的阻尼来源和预测阻尼性能的主要方法，以树脂基、陶瓷基、碳质基、金属基和夹层材料为例，介绍了国内外专家学者在基体改性、夹层材料和损伤破坏对碳纤维增强复合材料阻尼性能的影响方面的主要研究成果，并对碳纤维增强复合材料阻尼性能的研究进行了总结。

关键词：碳纤维增强复合材料阻尼性能基体改性夹层材料损伤破坏

LaB_(6)改性C/C-ZrC-SiC复合材料的制备及其抗烧蚀性能

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稀有金属材料与工程 2023年第8期52卷 2828-2834页

作者：解静由思伦孙国栋李辉贾研滕程程谢王楠长安大学材料科学与工程学院陕西西安710061

采用料浆浸渍结合树脂浸渍裂解法制备了含质量分数9.73%LaB_(6)的LaB_(6)-C/C预制体,再利用反应熔体浸渍法(RMI)制备了LaB_(6)改性C/C-ZrC-SiC复合材料,考察了材料的微观结构和烧蚀行为,探究LaB_(6)对材料抗烧蚀性能的作用机理。结果表... 详细信息

采用料浆浸渍结合树脂浸渍裂解法制备了含质量分数9.73%LaB_(6)的LaB_(6)-C/C预制体,再利用反应熔体浸渍法(RMI)制备了LaB_(6)改性C/C-ZrC-SiC复合材料,考察了材料的微观结构和烧蚀行为,探究LaB_(6)对材料抗烧蚀性能的作用机理。结果表明:在热流密度为2380kW/m^(2)的氧乙炔焰烧蚀120s后,LaB_(6)改性C/C-ZrC-SiC复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率分别为1.05×10^(-3)g/s和2.17×10^(-3)mm/s,较未改性C/C-ZrC-SiC复合材料分别降低了74.8%和61.9%。烧蚀过程中,LaB_(6)发生氧化反应生成La_(2)O_(3)和B_(2)O_(3),La_(2)O_(3)与ZrO_(2)之间的固溶作用以及化学反应,再加之液态B_(2)O_(3)具有促进固相反应传质的作用,使得材料表面形成大面积连续稳定的ZrO_(2)-La_(2)Zr_(2)O_(7)-La_(0.1)Zr_(0.9)O_(1.95)熔融态保护层,这是材料优异抗烧蚀性能的主要原因。

关键词：基体改性 LaB_(6) C/C-ZrC-SiC 抗烧蚀性能

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抗烧蚀C/C复合材料研究进展

新型炭材料 2015年第2期30卷 97-105页

作者：付前刚张佳平李贺军西北工业大学凝固技术国家重点实验室陕西西安710072

C/C复合材料因优异的高温性能被认为是高温结构件的理想材料。然而,C/C复合材料在高温高速粒子冲刷环境下的氧化烧蚀问题严重制约其应用。因此,如何提高C/C复合材料的抗烧蚀性能显得尤为重要。笔者综述C/C复合材料抗烧蚀的研究现状。目... 详细信息

C/C复合材料因优异的高温性能被认为是高温结构件的理想材料。然而,C/C复合材料在高温高速粒子冲刷环境下的氧化烧蚀问题严重制约其应用。因此,如何提高C/C复合材料的抗烧蚀性能显得尤为重要。笔者综述C/C复合材料抗烧蚀的研究现状。目前,提高C/C复合材料抗烧蚀性能的途径主要集中于优化炭纤维预制体结构、控制热解炭织构、基体中陶瓷掺杂改性和表面涂覆抗烧蚀涂层等4种方法。主要介绍以上4种方法的研究现状,重点介绍基体改性和抗烧蚀涂层的最新研究进展。其中,涂层和基体改性是提高C/C复合材料抗烧蚀性能的两种有效方法。未来C/C复合材料抗烧蚀研究的潜在方向主要集中于降低制造成本、控制热解炭织构、优化掺杂的陶瓷相以及将基体改性和涂层技术相结合。

关键词： C/C复合材料抗烧蚀炭纤维预制体热解炭织构基体改性涂层