论文摘要
碳材料由于具有耐高温、耐腐蚀、抗热冲击、导电和导热等优良性能,因而被广泛用于高温领域,但是碳材料的高温氧化性极大地限制了其应用范围,尤其是在航空航天领域的应用。在不同使用温度下碳-陶瓷复合材料的自愈合抗氧化是目前研究的热点,最近受到国内外许多学者的重视。本文在利用有限元软件（COSMOS Floworks）对高速飞行器表面气动氧化温度及以碳纤维（C纤维）、天然鳞片石墨（C鳞片）、沥青和石油焦（C颗粒）为C相的C-SiC-B4C-TiB2复合材料氧化行为进行模拟的基础上,选择SiC、B4C和TiB2作为陶瓷相,天然鳞片石墨作为C相,分别采用均匀混合法和包覆法混合原料,通过热压烧结制备了C-SiC-B4C-TiB2复合材料,并详细研究了复合材料的制备工艺、力学性能、抗氧化性能和显微组织。论文得到的主要结论如下：1.对返回舱再入大气层时的三维流场进行计算表明：当返回舱以6Ma飞行时,返回舱在迎风面的温度为1500℃～1650℃,迎风面的最高温度为1679℃,最大热流计算值为2.67×106W/m2。2.对C鳞片、C纤维和C颗粒三种不同C相的复合材料进行氧化模拟可知：C鳞片-SiC-B4C-TiB2复合材料的抗氧化能力优于以C纤维和C颗粒为C相的复合材料；C鱗片为C相的C鱗片-SiC-B4C-TiB2复合材料在氧化过程中,环境温度、材料组分、材料相对密度以及C鳞片的有序化程度均对复合材料的温度分布有明显影响,复合材料表面的热流值为2.67×106W/m2时,温度为1650℃；当SiC和B4C的质量比为5：1,C鳞片质量百分数为65%,C鳞片有序排列成石墨层时,复合材料的烧蚀率最低为0.135mm/s,复合材料氧化时的温度场为层状分布。3.对均匀混合法制备的C鳞片-SiC-B4C-TiB2复合材料,研究表明：随着热压温度的升高,复合材料中的C相变薄并逐渐形成了条状的C鳞片结构,陶瓷相逐步聚集长大,C相和SiC逐渐致密化,复合材料的抗弯强度和断裂韧性均明显提高；随着C鳞片质量百分数的提高,复合材料的断裂韧性升高而抗弯强度降低；当C鳞片质量百分数为20%、热压温度为2000℃时,复合材料综合力学性能最佳,其体积密度、气孔率、抗弯强度和断裂韧性分别达到2.81g/cm3、2.1%、279MPa和5.3MPa-m1/2;复合材料中C鳞片与陶瓷相的热膨胀不匹配产生的热应力导致的碳-陶弱界面分层诱导韧化是复合材料断裂韧性提高的主要原因。4.对均匀混合法制备的C鳞片-SiC-B4C-TiB2复合材料进行氧化研究表明：复合材料在600℃、800℃、1000℃、1200℃和1400℃等不同温度下的氧化动力学规律均为抛物线“钝化氧化”规律；在600℃氧化时,复合材料基本不氧化。在800℃和1000℃氧化时,氧化膜不连续,玻璃相未完全填封材料中的孔隙。在1200℃和1400℃氧化时,复合材料的表面覆盖着一层致密的硼硅酸盐（B2O3·SiO2）和硼钛酸盐（B2O3·TiO2）保护膜。在600℃～1400℃氧化时,氧化膜由表及里分别为玻璃层、氧化层和氧化过渡层；当C鳞片质量百分数为20%、热压温度为2000℃时,复合材料具有最佳的抗氧化性,在1400℃氧化6h后,氧化深度仅为400μm,氧化失重仅为2.50mg/cm2。5.对于均匀混合法制备20wt.%C鳞片-SiC-B4C-TiB2复合材料的氧化机理研究表明：在530℃～960℃范围内复合材料的氧化为化学反应控制的氧化,氧化过程受C、TiB2和B4C的氧化反应控制；在960℃～1100℃范围内复合材料的氧化为02扩散控制的氧化,随着氧化温度的升高,B203逐渐挥发,氧化膜内气泡的数目也越来越多,尺寸也越来越大；在1100℃～1300℃范围内复合材料的氧化为02通过气泡控制的氧化,随着氧化温度的增加,SiC氧化成SiO2,氧化膜厚度不断增加,缺陷不断被封填,自愈合能力增强；在1300℃～1400℃范围内复合材料的氧化为SiC-O2反应和TiB2-O2反应控制的氧化。扩散控制的氧化动力学方程为：扩散控制的氧化动力学模型为：6.对包覆法制备的50wt.%C鳞片-SiC-B4C-TiB2复合材料进行研究表明：C相的存在形式主要为直径约40μm的橄榄球状和长度约0.5mm～1mm的条状；复合材料的体积密度、抗弯强度和断裂韧性均随热压温度的升高而增加,热压温度为2000℃时,复合材料的体积密度、气孔率、抗弯强度和断裂韧性分别达到2.41g/cm3、3.42%、176.5MPa和6.1MPa-m1/2。本文研究的C-SiC-B4C-TiB2复合材料具有密度低、强度高、抗氧化温度高（1400℃）等特点,并在600℃～1400℃范围内能形成连续自愈合完整抗氧化膜,论文对于扩大碳-陶瓷复合材料的应用范围具有十分重要的意义。
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摘要Abstract第一章 绪论1.1 引言4C-TiB2复合材料概述'>1.2 C-SiC-B4C-TiB2复合材料概述4C-TiB2复合材料的制备方法'>1.3 C-SiC-B4C-TiB2复合材料的制备方法1.3.1 烧结技术1.3.2 CVD技术1.3.3 浸渍技术1.3.4 纤维补强增韧技术1.3.5 涂层技术1.3.6 结合了混合磨碎、浸渍技术和热压烧结技术4C-TiB2复合材料各组元的性质'>1.4 C-SiC-B4C-TiB2复合材料各组元的性质鳞片的性质'>1.4.1 C鳞片的性质4C的性质'>1.4.2 B4C的性质1.4.3 SiC的性质2的性质'>1.4.4 TiB2的性质4C-TiB2复合材料的力学性能'>1.5 C-SiC-B4C-TiB2复合材料的力学性能4C-TiB2复合材料的抗氧化性'>1.6 C-SiC-B4C-TiB2复合材料的抗氧化性1.6.1 涂层抗氧化保护法1.6.2 抑制剂抗氧化保护法4C-TiB2复合材料氧化行为的研究方法'>1.7 C-SiC-B4C-TiB2复合材料氧化行为的研究方法1.7.1 计算机模拟法1.7.2 计算机模拟的意义1.7.3 实验分析法1.8 本文的研究方法1.9 本文的研究内容第二章 高速飞行器温度场2.1 引言2.2 飞行器气动加热2.3 基本理论2.3.1 空气动力学方程组2.3.2 有限体积法2.3.3 计算温度场的原理2.3.4 返回舱温度场2.4 小结4C-TiB2复合材料氧化过程模拟'>第三章 C-SiC-B4C-TiB2复合材料氧化过程模拟3.1 引言鳞片-SiC-B4C-TiB2氧化过程模拟'>3.2 C鳞片-SiC-B4C-TiB2氧化过程模拟3.2.1 基本方程和边界条件鳞片低有序化'>3.2.2 C鳞片低有序化鳞片高有序化'>3.2.3 C鳞片高有序化纤维-SiC-B4C-TiB2氧化模拟'>3.3 C纤维-SiC-B4C-TiB2氧化模拟3.3.1 边界条件和网格划分纤维-SiC-B4C-TiB2复合材料的温度和压力分布'>3.3.2 C纤维-SiC-B4C-TiB2复合材料的温度和压力分布纤维-SiC-B4C-TiB2复合材料的气体通道'>3.3.3 C纤维-SiC-B4C-TiB2复合材料的气体通道颗粒-SiC-B4C-TiB2氧化模拟'>3.4 C颗粒-SiC-B4C-TiB2氧化模拟鱗片-SiC-B4C-TiB2复合材料用于高温区'>3.5 C鱗片-SiC-B4C-TiB2复合材料用于高温区3.6 小结4C-TiB2复合材料组织与性能'>第四章 均匀混合法制备C-SiC-B4C-TiB2复合材料组织与性能4.1 引言4.2 实验原料4.3 反应烧结的热力学分析4.4 实验过程及实验方法4.4.1 热压设备4.4.2 样品制备4C-TiB2复合材料组织和性能'>4.5 C-SiC-B4C-TiB2复合材料组织和性能4.5.1 样品体积密度和气孔率的测定4.5.2 样品抗弯强度的测定4.5.3 样品断裂韧性的测定4.5.4 样品的XRD物相分析4.6 复合材料的XRD分析4.7 热压温度和C相质量百分数对体积密度和开口气孔率的影响4.8 热压温度和C相质量百分数对抗弯强度的影响4.9 热压温度和C相质量百分数对断裂韧性的影响4.10 复合材料的显微组织4.11 复合材料的碳-陶界面4.12 复合材料的断裂特征4.13 复合材料的增韧机理4.14 复合材料的断裂有限元模拟4.15 小结4C-TiB2复合材料的自愈合抗氧化'>第五章 均匀混合法制备C-SiC-B4C-TiB2复合材料的自愈合抗氧化5.1 前言5.2 复合材料中各组元的氧化鳞片的氧化行为'>5.2.1 C鳞片的氧化行为4C的氧化行为'>5.2.2 B4C的氧化行为5.2.3 SiC的氧化行为2的氧化行为'>5.2.4 TiB2的氧化行为5.3 复合材料的氧化行为5.3.1 复合材料氧化过程的控制因素5.3.2 复合材料的恒温抗氧化实验5.3.3 复合材料的TG/DTA实验5.4 复合材料的氧化机理5.4.1 化学反应控制的氧化区2通过微裂纹扩散的氧化区'>5.4.2 O2通过微裂纹扩散的氧化区2通过气泡扩散的氧化区'>5.4.3 O2通过气泡扩散的氧化区2反应控制氧化区'>5.4.4 SiC-O2反应控制氧化区5.5 小结4C-TiB2复合材料的氧化动力学'>第六章 均匀混合法制备C-SiC-B4C-TiB2复合材料的氧化动力学6.1 引言6.2 反应控制过程的动力学2反应的氧化动力学模型'>6.2.1 C-O2反应的氧化动力学模型6.2.2 陶瓷相氧化反应的氧化动力学模型6.2.3 反应控制过程动力学计算6.3 扩散控制过程的动力学6.3.1 扩散控制过程的动力学模型6.3.2 扩散控制过程的动力学计算6.4 小结4C-TiB2复合材料的组织与性能'>第七章 包覆工艺制备50wt.%C-SiC-B4C-TiB2复合材料的组织与性能7.1 引言7.2 样品制备和实验方法7.3 XRD物相分析7.4 热压温度对复合材料致密化和力学性能的影响7.5 热压温度对复合材料显微组织的影响7.6 热压温度对复合材料的断裂特征的影响7.7 复合材料氧化行为的研究7.8 小结第八章 结论参考文献致谢攻读博士学位期间发表的论著和科研情况作者简介
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