反应熔渗法制备Cf/（HfC+MC）复合材料机理及其性能研究

论文摘要

碳纤维增强超高温陶瓷（Cf/UHTCs）复合材料具有优异的耐超高温抗氧化烧蚀性能,可望成为有氧环境下使用的新型耐超高温材料;反应熔渗工艺具有制备周期短、工艺简单、可实现近尺寸成型、无环境污染等特点,成为制备Cf/UHTCs复合材料的热门工艺。为此,本文开展了反应熔渗法制备Cf/（HfC+MC）复合材料的可行性研究,探讨了不同特性铪基合金反应熔渗C/C预制体的机制进行了理论机制,研究了熔渗工艺对Cf/（HfC+MC）复合材料组织结构的影响,考察了材料的抗氧化性能和烧蚀性能,具有一定的学术和应用价值。针对反应熔渗工艺的特点,以及Hf、Zr、Ta、Si四种组元的高温氧化时的作用原理,设计并制备了50Hf10Zr37Si3Ta和22Hf78Si两种合金作为熔渗用合金,用所设计的两种铪基合金反应熔渗分别制得了密度为1.88 g/cm3和2.32 g/cm3、显气孔率小于10%和4%的Cf/（HfC+ZrC+SiC）复合材料和Cf/（HfC +SiC）复合材料。采用XRD、SEM等手段分析了所制得的复合材料的微观组织结构,并使用Pandat相图软件结合热力学原理验证了两种不同合金的反应熔渗机理。研究表明,高熔点50Hf10Zr37Si3Ta合金（熔点2440℃）在1900℃实现了反应熔渗,其根源在于合金中Hf有最强的碳化物形成能力、优先与C/C预制体表面的碳发生碳化反应;合金先后碳化反应产物不同,产生两种成分不同的液相,是形成特殊熔渗反应组织的原因。相比而言,22Hf78Si合金的反应熔渗机理则是由于熔渗温度高于合金熔点,合金熔化后以液相的形式渗入多孔预制体,进而发生碳化反应。采用50Hf10Zr37Si3Ta合金反应熔渗制备Cf/（HfC+ZrC+SiC）复合材料,受熔渗机制的限制,熔渗层较浅,在高温火焰（温度>1800℃）及激光烧蚀下,试样表面形成一层致密的Hf（Zr、Ta）O2层,表现出优良的抗氧化烧蚀性能,激光烧蚀（1000 W/cm2,60 s）线烧蚀率仅为0.008 mm/s。采用22Hf78Si合金反应熔渗制备Cf/（HfC+SiC）复合材料,由于合金渗透能力强,可完全渗透试样,制得的材料抗弯强度可达237MPa,其弯曲断裂表现出假塑性断裂特征。试样也表现出较好的抗氧化烧蚀性能,激光烧蚀（1000 W/cm2,60 s）线烧蚀率仅为0.012 mm/s。实验表明,两种复合材料在1300℃的静态抗氧化性能不佳。熔渗反应生成的碳化物、氧化过程形成的氧化物与碳基体之间物理性能的差异,使复合材料中存在热失配问题,对材料低温下静态抗氧化性能不利。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 耐超高温材料
• 1.1.1 石墨材料
• 1.1.2 难熔金属
• 1.1.3 耐超高温陶瓷（UHTCs）
• 1.1.4 碳纤维增强陶瓷基复合材料
• f/UHTCs）复合材料'>1.1.5 碳纤维增强耐超高温陶瓷基（C_f/UHTCs）复合材料
• 1.2 碳纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法
• 1.2.1 化学气相浸渗法
• 1.2.2 先驱体转化法
• 1.2.3 反应熔渗法
• 1.3 反应熔渗工艺
• 1.3.1 反应熔渗工艺理论
• 1.3.2 反应熔渗工艺影响因素分析
• 1.3.3 反应熔渗法制备的碳纤维增强陶瓷基复合材料体系
• 1.4 本课题研究的目的、意义和内容
• 第二章 实验过程及方法
• 2.1 实验用主要原料及设备
• 2.1.1 实验用主要原料
• 2.1.2 实验用主要设备
• 2.2 实验技术路线与制备工艺
• 2.3 分析与表征
• 2.3.1 宏观形貌分析
• 2.3.2 密度及显气孔率
• 2.3.3 微观形貌分析
• 2.3.4 成分与物相分析
• 2.3.5 常温弯曲强度测试
• 2.3.6 高温抗氧化性能分析
• 2.3.7 抗烧蚀性能分析
• 第三章 熔渗用铪基合金设计原理与制备
• 3.1 熔渗用铪基合金设计原理
• 3.1.1 熔渗用铪基合金中各组元的作用
• 3.1.2 铪基合金组元的配比设计
• 3.1.3 Hf、Zr、Si、Ta 四种组元在氧化烧蚀过程中的联合作用
• 3.2 熔渗用铪基合金相组成与制备
• 3.2.1 高铪含量铪基合金的制备与相组成分析
• 3.2.2 低铪含量铪基合金的制备与成分分析
• 3.3 本章小结
• f/（HfC＋MC）复合材料'>第四章 高铪合金反应熔渗制备C_f/（HfC＋MC）复合材料
• f/（HfC＋MC）复合材料的制备及组织结构'>4.1 高铪含量C_f/（HfC＋MC）复合材料的制备及组织结构
• f/（HfC＋MC）复合材料的制备'>4.1.1 高铪含量C_f/（HfC＋MC）复合材料的制备
• 4.1.2 熔渗组织结构分析
• f/（HfC＋MC）复合材料的反应熔渗机制'>4.2 高铪合金制备C_f/（HfC＋MC）复合材料的反应熔渗机制
• 4.2.1 高铪合金熔渗过程分析
• f/（HfC+SiC+ZrC）复合材料的熔渗组织形成机理'>4.2.2 C_f/（HfC+SiC+ZrC）复合材料的熔渗组织形成机理
• f/（HfC+SiC+ZrC）复合材料性能分析'>4.3 C_f/（HfC+SiC+ZrC）复合材料性能分析
• 4.3.1 静态抗氧化性能分析
• 4.3.2 氧乙炔焰烧蚀性能分析
• 4.3.3 激光烧蚀性能分析
• 4.4 本章小结
• f/（HfC＋SiC）复合材料'>第五章 低铪合金反应熔渗制备C_f/（HfC＋SiC）复合材料
• f/（HfC＋SiC）复合材料的制备及组织结构分析'>5.1 低铪含量C_f/（HfC＋SiC）复合材料的制备及组织结构分析
• f/（HfC＋SiC）复合材料的制备'>5.1.1 低铪含量C_f/（HfC＋SiC）复合材料的制备
• 5.1.2 熔渗组织结构分析
• f/（HfC＋SiC）复合材料的反应熔渗机制'>5.2 低铪合金制备C_f/（HfC＋SiC）复合材料的反应熔渗机制
• 5.3 22Hf785i 合金反应熔渗工艺研究
• 5.3.1 C/C 预制体密度对熔渗样品组织结构的影响
• 5.3.2 熔渗温度对熔渗样品密度的影响
• 5.3.3 熔渗时间对熔渗样品密度的影响
• f/（HfC＋SiC）复合材料性能分析'>5.4 C_f/（HfC＋SiC）复合材料性能分析
• 5.4.1 静态抗氧化性能分析
• 5.4.2 氧乙炔烧蚀性能分析
• 5.4.3 激光烧蚀性能分析
• 5.4.4 弯曲性能分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间取得的学术成果