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Zrc纳米粉体改性c/c-sic复合材料的微观结构和烧蚀性能

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粉末冶金材料科学与工程 2024年

作者：汤磊白凯伦熊翔尹健张红波左劲旅中南大学粉末冶金研究院湖南博云新材料有限公司

为改善c/c-sic复合材料的抗烧蚀性能，以Zrc纳米粉体和Si粉为反应渗料，采用反应熔渗（reactive melt infiltration， RMI）法制备Zrc纳米粉体改性c/c-sic复合材料。采用X射线衍射仪、扫描电镜和能谱分析仪等研究Zrc纳米粉体含量对c/c-... 详细信息

为改善c/c-sic复合材料的抗烧蚀性能，以Zrc纳米粉体和Si粉为反应渗料，采用反应熔渗（reactive melt infiltration， RMI）法制备Zrc纳米粉体改性c/c-sic复合材料。采用X射线衍射仪、扫描电镜和能谱分析仪等研究Zrc纳米粉体含量对c/c-sic复合材料微观结构和烧蚀性能的影响。结果表明：随Zrc纳米粉体含量增加，复合材料的孔隙率增大，而密度变化不大。Zrc纳米粉体一部分弥散分布在sic基体中，一部分则发生了团聚。烧蚀30 s后，Zrc纳米粉体摩尔分数为6%时，复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率最低，分别为2.0 g/cm3和3.9 μm/s。随Zrc纳米粉体含量增加，烧蚀过程中形成的ZrO2含量增多，对SiO2的钉扎作用明显增强，能有效提升c/c-sic复合材料的抗烧蚀性能。

关键词： c/c-sic复合材料 Zrc纳米粉体反应熔渗微观结构烧蚀性能

沉积热解炭与树脂炭比例对c/c-sic复合材料弯曲强度的影响

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中国陶瓷工业 2024年第1期31卷 11-17页

作者：曹佩王毅王旭东杨晓辉白龙腾航天推进技术研究院陕西西安710100 西安航天动力研究所陕西西安710100

以针刺整体炭毡为坯体,采用树脂浸渍和化学气相沉积混合的方法制备得到相同密度的c/c多孔体,采用熔硅浸渗(RMI)制得c/c-sic复合材料。研究了沉积热解炭与树脂炭比例对基体显微结构及弯曲性能的影响。结果表明:随着沉积得到的沉积热解炭... 详细信息

以针刺整体炭毡为坯体,采用树脂浸渍和化学气相沉积混合的方法制备得到相同密度的c/c多孔体,采用熔硅浸渗(RMI)制得c/c-sic复合材料。研究了沉积热解炭与树脂炭比例对基体显微结构及弯曲性能的影响。结果表明:随着沉积得到的沉积热解炭含量增加,c/c-sic复合材料基体内部孔隙率先降后升,而密度、弯曲强度先增后减。当沉积热解炭与树脂炭的比例为1∶1时,c/c-sic复合材料密度与弯曲强度最高,分别达到2.03 g/cm^(3)和240 MPa。

关键词：沉积热解炭树脂炭 c/c-sic复合材料弯曲强度

cVI处理对浸渍裂解法制备c/c-sic复合材料弯曲性能的影响

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新型炭材料（中英文） 2023年第6期38卷 1127-1134页

作者：贾林涛王梦千郭小凤朱界李爱军彭雨晴上海大学材料科学与工程学院材料研究所上海200444

以2D叠层炭布为增强体,以掺加硅粉、炭粉和碳化硅粉3种无机粉体的糠酮树脂为前驱体,经浸渍、热压固化、炭化裂解和高温热处理过程制备出炭/炭-碳化硅(c/c-sic)复合材料。采用多功能密度测试仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)... 详细信息

以2D叠层炭布为增强体,以掺加硅粉、炭粉和碳化硅粉3种无机粉体的糠酮树脂为前驱体,经浸渍、热压固化、炭化裂解和高温热处理过程制备出炭/炭-碳化硅(c/c-sic)复合材料。采用多功能密度测试仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和力学万能试验机,研究了硅粉、炭粉和碳化硅粉的掺加量以及后续化学气相渗透(cVI)处理对c/c-sic复合材料致密度、微观结构及抗弯强度的影响。结果表明:硅粉、炭粉和碳化硅粉掺加后所形成的碳化硅颗粒对复合材料起到颗粒弥散增强的作用。具体而言,粉体掺加量越多,c/c-sic复合材料越致密,抗弯强度越大;在三点弯曲载荷作用下,c/c-sic复合材料呈假塑性断裂模式,并且出现层间开裂现象。对c/c-sic复合材料进行10 h cVI处理后发现,形成的热解炭可以作为炭纤维与树脂炭基体之间的界面,弥补了树脂炭的微孔,相比于未进行cVI处理的c/c-sic复合材料,密度最大提高了4.98%,抗弯强度最大提高了38.86%。

关键词：糠酮树脂 c/c-sic复合材料无机粉体化学气相渗透抗弯强度

c/c多孔体的高温热处理对c/c-sic复合材料摩擦磨损行为的影响

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无机材料学报 2023年第5期38卷 561-568页

作者：张硕付前刚张佩费杰李伟西北工业大学凝固技术国家重点实验室纤维增强轻质复合材料陕西省重点实验室西安710072

低密度c/c多孔体的结构与性能调控是制备具有优异摩擦磨损性能的c/c-sic复合材料的关键。本研究采用化学气相渗积法制备了c/c多孔体,并对其进行2100℃高温热处理,再通过反应熔渗法制备了c/c-sic复合材料,研究了c/c多孔体高温热处理对c/c... 详细信息

低密度c/c多孔体的结构与性能调控是制备具有优异摩擦磨损性能的c/c-sic复合材料的关键。本研究采用化学气相渗积法制备了c/c多孔体,并对其进行2100℃高温热处理,再通过反应熔渗法制备了c/c-sic复合材料,研究了c/c多孔体高温热处理对c/c-sic复合材料微观结构、导热性能和摩擦磨损性能的影响。结果表明,经2100℃热处理的c/c多孔体孔隙率和石墨化程度增加,用其制备的c/c-sic复合材料比c/c多孔体未经热处理的密度更大(2.22 g/cm^(3)),孔隙率由5.1%降低至3.4%, sic陶瓷相含量比热处理前提高11.9%。石墨化程度越高,声子的平均自由程越大,因此其室温的导热率提升到3.1倍, 1200℃导热率提升到1.2倍。经过热处理的热解炭更软,摩擦面易形成连续且稳定的摩擦膜,因此摩擦系数更稳定,并且在测试载荷为3、6和9 N下磨损率均显著降低,下降幅度达到47.8%、41.9%和11.7%,平均摩擦系数分别为0.47、0.38和0.39。综上所述,对c/c多孔体进行高温热处理可使c/c-sic复合材料的导热性能提升,更耐磨并且表现出更稳定的摩擦系数。

关键词： c/c-sic复合材料高温热处理导热率摩擦耐磨

碳纤维预制体结构对cVI-GSI c/c-sic复合材料微观结构与力学性能的影响

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材料工程 2023年第8期51卷 142-148页

作者：缪花明刘荣军王衍飞李俊生李端万帆国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

采用不同面密度和丝束大小的碳纤维布,通过不同z向缝合方式编织了两种碳布叠层结构的碳纤维预制体,再经化学气相渗透法(chemical vapor infiltration,cVI)与气相渗硅法(gaseous silicon infiltration,GSI)联用制备了c/c-sic复合材料。... 详细信息

采用不同面密度和丝束大小的碳纤维布,通过不同z向缝合方式编织了两种碳布叠层结构的碳纤维预制体,再经化学气相渗透法(chemical vapor infiltration,cVI)与气相渗硅法(gaseous silicon infiltration,GSI)联用制备了c/c-sic复合材料。研究了碳纤维预制体结构对cVI-GSI c/c-sic复合材料微观结构与力学性能的影响。结果表明,由纤维体积分数与c/c素坯密度都相同的预制体所制备的两种复合材料的密度、各相组成、结构与性能均大不相同。较小的碳纤维丝束(1K)和碳布面密度(92 g/m^(2)),以及锁式缝合留下的较大孔隙为GSI反应中Si蒸气的渗透提供了更加充足的通道,最终制备的T1复合材料孔隙率低、结构均匀、性能更高,其弯曲强度、模量和断裂韧度分别为300.97 MPa,51.75 GPa,11.32 MPa·m^(1/2)。初始预制体结构和c/c中间体结构的综合调控是cVI-GSI联用工艺制备高性能c/c-sic复合材料的关键。

关键词： c/c-sic复合材料预制体结构气相渗硅化学气相渗透碳布叠层

烧蚀时间对c/c-sic复合材料高超声速富氧环境烧蚀机制的影响

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复合材料学报 2023年第1期40卷 472-484页

作者：高勇王金金查柏林王玲玲石易昂孙振生火箭军工程大学西安710025 西安航天复合材料研究所西安710025 火箭军装备部装备项目管理中心北京100085

为了研究烧蚀时间对c/c-sic复合材料在高超声速富氧环境下烧蚀机制的影响规律,采用富氧环境下的高超声速烧蚀试验技术,对“化学气相渗透+先驱体浸渍裂解”混合工艺制备的针刺c/c-sic复合材料动态烧蚀机制进行研究,并采用电子扫描显微镜... 详细信息

为了研究烧蚀时间对c/c-sic复合材料在高超声速富氧环境下烧蚀机制的影响规律,采用富氧环境下的高超声速烧蚀试验技术,对“化学气相渗透+先驱体浸渍裂解”混合工艺制备的针刺c/c-sic复合材料动态烧蚀机制进行研究,并采用电子扫描显微镜观察烧蚀表面形貌。研究表明:在极端苛刻的高超声速富氧烧蚀环境下,c/c-sic复合材料能够短时抵抗高温、高压、高超声速燃气射流的氧化工作环境。材料经高超声速富氧烧蚀10 s、20 s、30 s、40 s及50 s后的质量烧蚀率分别为0.021 g/s、0.025 g/s、0.027 g/s、0.026 g/s与0.034 g/s。c/c-sic复合材料在高超声速富氧环境下的动态烧蚀行为主要受热化学烧蚀与机械剥蚀两种烧蚀机制共同作用。在初始阶段,SiO_(2)保护膜的存在有效阻止了氧化性组分向基体内部的扩散,仅材料中心区域存在轻微热化学烧蚀;烧蚀试验中期,材料的烧蚀主要表现为热化学烧蚀与机械剥蚀联合作用,并由热化学烧蚀向机械剥蚀呈渐变性转变;烧蚀试验后期,基体的深度反应使得材料的烧蚀主要表现为纤维与基体的大面积片状剥落。

关键词： c/c-sic复合材料高超声速富氧烧蚀烧蚀时间烧蚀机制

短纤维增强c/c-sic复合材料的微观结构与力学性能

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材料工程 2022年第7期50卷 88-101页

作者：刘聪聪王雅雷熊翔叶志勇刘在栋刘宇峰中南大学粉末冶金国家重点实验室长沙410083 航天材料及工艺研究所先进功能复合材料技术重点实验室北京100076

综合原料的热物理性能分析和配比设计,实现了c/c复合材料载体孔隙体积的精细控制,采用热压-熔渗两步法在低温条件下制备了具有高致密、低残余Si含量特征的短碳纤维增强c/c-sic复合材料。系统解析了c/c-sic复合材料成型过程中的结构演变... 详细信息

综合原料的热物理性能分析和配比设计,实现了c/c复合材料载体孔隙体积的精细控制,采用热压-熔渗两步法在低温条件下制备了具有高致密、低残余Si含量特征的短碳纤维增强c/c-sic复合材料。系统解析了c/c-sic复合材料成型过程中的结构演变行为,研究了短纤维增强c/c-sic复合材料的力学性能和失效机制。结果表明:多孔c/c复合材料载体孔隙的孔径呈双极分布特征,添加芳纶纤维可提高网络孔隙结构的连通性,具有显著的孔隙结构调控作用。sic基体以网络骨架形态分布于c/c-sic复合材料内部,与纤维束形成了强界面结合钉扎结构,高含量纤维协同作用下使c/c-sic复合材料具有优异的综合力学性能,添加芳纶纤维可明显增加复合材料内部裂纹扩展路径,提高c/c-sic复合材料的断裂韧性。碳纤维的面内各向同性分布及陶瓷相层间均匀分布对c/c-sic复合材料承载、摩擦稳定性提升均具有积极作用。

关键词： c/c-sic复合材料热压-熔渗两步法微观结构力学性能

预制体密度对c/c-sic复合材料力学及高温耐烧蚀性能的影响

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中南大学学报（自然科学版） 2022年第7期53卷 2447-2456页

作者：阳惠刘瑞瑞刘忠国杨静左远名李昂易近人杨鑫黄启忠中南大学粉末冶金国家重点实验室湖南长沙410083

采用PIP工艺向初始密度分别为0.90,1.01和1.12 g/cm3的sic粉末混编炭纤维预制体中引入sic,制备密度为2.10 g/cm3的c/c-sic复合材料。通过c/c-sic复合材料微观结构、力学性能、1200℃高温抗氧化及等离子耐烧蚀性能研究,揭示预制体密度对c... 详细信息

采用PIP工艺向初始密度分别为0.90,1.01和1.12 g/cm3的sic粉末混编炭纤维预制体中引入sic,制备密度为2.10 g/cm3的c/c-sic复合材料。通过c/c-sic复合材料微观结构、力学性能、1200℃高温抗氧化及等离子耐烧蚀性能研究,揭示预制体密度对c/c-sic复合材料力学、高温抗氧化及耐烧蚀性能的影响规律。研究结果表明:预制体密度对制备的c/c-sic复合材料微观结构、力学及高温抗氧化耐烧蚀性能具有重要影响;随着预制体密度增加,复合材料的弯曲强度由204.17 MPa提升至238.32 MPa,压缩强度由335.9 MPa提升至441.4 MPa;等离子火焰烧蚀60 s后,其质量烧蚀率由0.162 mg/s降低至0.123 mg/s;经1200℃,60 min氧化后,c/c-sic复合材料的氧化质量损失率随预制体密度升高而降低,高温抗氧化性能逐渐升高。

关键词：微观结构力学性能耐烧蚀性能 c/c-sic复合材料

液态聚碳硅烷制备c/c-sic复合材料抗烧蚀性能研究

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固体火箭技术 2022年第1期45卷 121-127页

作者：朱世步刘津生闫联生张强李康崔红西安航天复合材料研究所西安710025

采用液态聚碳硅烷(Liquid polycarbosilane,LPcS)为陶瓷先驱体,通过先驱体浸渍裂解(Precursor infiltration and pyrolysis,PIP)工艺,制备了c/c-sic复合材料。LPcS先驱体的裂解行为采用热重分析(Thermogravimetry analysis,TGA)表征,高温裂解产物的相组成、微观形貌等通过X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)表征。结果表明,LPcS先驱体裂解形成sic陶瓷,其980℃陶瓷产率为81.3%,可作为PIP工艺制备复合材料的新型先驱体材料;2200℃、600 s氧乙炔试验烧蚀后,LPcS先驱体制备的c/c-sic复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.005 mm/s和0.0019 g/s,表现出良好的抗烧蚀性能;sic陶瓷基体烧蚀过程中氧化形成致密连续的SiO_(2)障碍层,能够隔离氧气和热量,阻止其向复合材料内部进一步扩散,可有效地提升复合材料的烧蚀性能。

关键词：液态聚碳硅烷浸渍裂解 c/c-sic复合材料抗烧蚀性能