论文摘要
发展高超声速飞行器迫切需要零（微）烧蚀复合材料,为此必须提高现有耐超高温复合材料的抗烧蚀性能和抗氧化性能,并兼顾其力学性能,本文利用碳纤维的增强增韧机制、UHTC的耐超高温和零（微）烧蚀特性、SiC的抗氧化特性,采用PIP工艺制备了一系列2D Cf/UHTCp/SiC复合材料。研究了PIP的工艺参数、UHTCp种类和含量等对2D Cf/UHTCp/SiC复合材料结构和性能的影响,同时系统地研究了复合材料的力学性能和抗烧蚀性能,探讨了复合材料的抗烧蚀机理。PIP法制备2D Cf/UHTCp/SiC复合材料包括两个步骤:（1）材料成型过程,即预制体的制备;（2）致密化过程,即通过多次先驱体浸渍-裂解过程使预制体致密化。本文首先研究了复合材料的成型和致密化工艺,结果表明:碳布涂刷叠层工艺是制备复合材料预制体的理想方法,成型过程中,PCS/DVB配比是影响预制件完整性和UHTCp含量的关键参数,当mPCS:mDVB=1:3时最有利于成型和提高材料中UHTCp含量;在致密化过程中,采用单组分（PCS/xylene）真空浸渍致密化预制体,浸渍效率高,制得的材料具有结构完整、致密度高、力学性能和抗烧蚀性能好的优势。分别研究了三种UHTCp（ZrB2、ZrC、TaC）含量、模压压力以及热处理温度对复合材料结构和性能的影响。添加UHTCp能明显提高材料的抗烧蚀性能,总体上,随着UHTCp含量的提高,复合材料的抗烧蚀性能明显提高,但材料中碳纤维含量下降,力学性能随之下降。在成型时辅助压力能同时提高材料中UHTCp和碳纤维的含量,提高材料的抗烧蚀性能和力学性能,若在交联固化时也辅以压力,则能进一步提高材料的抗烧蚀性能和力学性能。对于2D Cf/ZrB2p/SiC而言,采用mPCS:mDVB:mZrB2p=1:3:8.9的成型料浆,加7MPa压力进行模压-交联,1400℃处理制得的材料力学性能最优,材料中ZrB2含量为25.5vol%,碳纤维含量为22.6vol%,SiC含量为32.5vol%,材料的弯曲强度和弯曲模量分别为252.0MPa和35.5GPa,经氧乙炔焰烧蚀考核60秒,试样表面温度达到2200℃,质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.0260g/s和0.0198mm/s;提高热处理温度,材料的力学性能急剧下降,但抗烧蚀性能明显提高,其中1800℃处理制得试样弯曲强度和弯曲模量分别只有27.1MPa和26.1GPa,在同样抗烧蚀考核条件下的质量烧蚀率和线烧蚀率明显降低,分别为0.0161mm/s和0.0141g/s。如何提高材料的抗烧蚀性能,同时又能兼顾材料的力学性能是应该关注的重点。对于2D Cf/ZrCp/SiC而言,采用mPCS:mDVB:mZrCp=1:3:23.3的料浆配比、加7MPa压力进行模压-交联、1600℃处理制得材料具有最佳结构和性能,材料中ZrCp含量高达33.3vol%,碳纤维含量为20.3vol%,SiC含量为26.5vol%,材料的弯曲强度和弯曲模量分别为168.7MPa和31.0GPa,经氧乙炔焰烧蚀考核60秒,表面温度为2243℃,质量烧蚀率为0.0073g/s,线烧蚀率为0.0037mm/s。采用mPCS:mDVB:mTaCp=1:3:34.0的料浆配比、加7MPa压力进行模压-交联、1600℃处理制得的2D Cf/TaCp/SiC复合材料具有理想的结构和性能,材料中TaCp含量为30.5含量,SiC含量为26.0含量,碳纤维含量为26.9vol%,弯曲强度和弯曲模量分别为210.9MPa和34.4GPa,质量烧蚀率为0.0193g/s,线烧蚀率为0.0142mm/s。系统研究了三种材料的常温力学性能、高温力学性能和抗氧化性能。三种2D Cf/UHTCp/SiC复合材料的力学性能主要取决于碳纤维含量,其中2D Cf/ZrB2p/SiC的拉伸强度为78.5MPa,2D Cf/ZrCp/SiC的拉伸强度为67.4MPa,2D Cf/TaCp/SiC的拉伸强度为118.9MPa;三种材料的剪切强度和断裂韧性分别均在30MPa和10MPa·m1/2左右。针对碳布叠层增强材料存在层间结合较弱,剪切强度不高的问题,论文又开展了Z向穿刺工艺对改善材料层间结合和提高材料力学性能的研究,制得2D Cf/ZrB2p/SiC-Zpin试样的弯曲强度为247.8MPa,弯曲模量为37.8GPa,剪切强度为37.4MPa,和未穿刺试样相比,剪切强度提高20.6%,明显改善了材料构件的可加工性和材料使用时的可靠性。三种材料的抗压强度基本相当,在x、y、z三个方向测得的抗压强度均在250.0MPa左右。与2D Cf/SiC相比,2D Cf/UHTCp/SiC具有更高的高温强度。2D Cf/ZrB2p/SiC在1800℃时的弯曲强度为143.9MPa,强度保留率达74.1%,2000℃时的弯曲强度下降严重,仅为61.8MPa;2D Cf/ZrCp/SiC在1800℃时的弯曲强度达165.9MPa,强度保留率为81.8%,2000℃时的弯曲强度为168.5MPa,强度保留率为83.1%,材料表现出优异的耐超高温性能;1800℃时2D Cf/TaCp/SiC的弯曲强度是98.0MPa,2000℃时的弯曲强度为122.2MPa。在1200℃氧化环境中,由于2D Cf/ZrB2p/SiC和2D Cf/TaCp/SiC表面能形成B2O3和Ta2O5自愈合结构,表现出较好的抗氧化性能,2D Cf/ZrB2p/SiC氧化后的弯曲强度为184.3MPa,强度保留率为69.2%;2D Cf/TaCp/SiC氧化后的弯曲强度高达197.6MPa,强度保留率为74.1%;由于ZrC氧化产物ZrO2在此温度下为粉末状,无法形成自愈合机制,2D Cf/ZrCp/SiC氧化后完全失去承担载荷的能力。分别研究了三种材料在两种考核环境中、不同考核工况下的抗烧蚀性能,结果表明:复合材料中UHTCp在抗烧蚀性能上起到重要作用,三种复合材料的抗烧蚀性能均优于2D Cf/SiC。在氧乙炔考核环境中,当试样表面温度为2200℃左右时,2D Cf/ZrB2p/SiC的质量烧蚀率和线烧蚀率为0.0062g/s和0.0052mm/s,2D Cf/ZrCp/SiC的质量烧蚀率和线烧蚀率为0.0104g/s和0.0111mm/s,2D Cf/TaCp/SiC的质量烧蚀率和线烧蚀率为0.0134g/s和0.0187mm/s,根据线烧蚀率由低到高的顺序为2D Cf/ZrB2p/SiC、2D Cf/ZrCp/SiC、2D Cf/TaCp/SiC;当表面温度为2600℃左右时,三种试样的质量烧蚀率和线烧蚀率均明显上升,但试样表现出的抗烧蚀性能有所变化,根据线烧蚀率由低到高的顺序分别为2D Cf/ZrCp/SiC、2D Cf/ZrB2p/SiC、2D Cf/TaCp/SiC;在等离子风洞中的烧蚀考核环境更加苛刻,试样的质量烧蚀率和线烧蚀率又进一步上升,此时,根据线烧蚀率由低到高的顺序分别为2D Cf/TaCp/SiC、2D Cf/ZrCp/SiC、2D Cf/ZrB2p/SiC。探讨了三种材料在不同考核环境中的抗烧蚀机理,研究认为:在氧乙炔焰中,试样的烧蚀主要为热化学烧蚀和热物理烧蚀,同时伴有一定的气流冲刷和机械剥蚀。当试样表面温度为2200℃左右时,2D Cf/ZrB2p/SiC表面形成的氧化熔融层黏度较高,能抵抗气流的冲刷并阻止氧向材料内部扩散,材料表现出较好的抗烧蚀性能;当表面温度为2600℃左右时,熔融物黏度明显下降,在气流冲刷下被吹除,材料的质量烧蚀率和线烧蚀率均明显增高。对于2D Cf/ZrCp/SiC而言,当表面温度为2200℃左右时,表面还无法形成粘稠的熔融层,不利于阻隔氧向材料内部扩散;当表面温度达到2600℃左右时,烧蚀表面形成的玻璃态熔融层具有较高的黏度,能抵抗气流的冲刷和阻挡氧向材料内部破坏,材料表现出优异的抗烧蚀性能;对于2D Cf/TaCp/SiC而言,TaC氧化产物Ta2O5的熔点只有1870℃左右,在两种考核工况下,均无法在烧蚀表面形成比较黏稠熔融层,不能对材料内部结构提供阻氧保护作用,2D Cf/TaCp/SiC表现出较差的抗烧蚀性能。在等离子风洞中,由于考核时间短（10s）,所以热物理烧蚀、气流冲刷和机械剥蚀决定了复合材料的抗烧蚀性能。在相同的气流冲刷和机械剥蚀条件下,由于ZrB2熔点只有3040℃,而ZrC和TaC的熔点分别高达3530℃和3880℃,所以在样品表面温度为2800℃的情况下,ZrB2、ZrC、TaC基体的抗剥蚀能力依次增强,从而2D Cf/TaCp/SiC复合材料表现出最好的抗烧蚀性能,2D Cf/ZrCp/SiC次之,2D Cf/ZrB2p/SiC最差。在等离子风洞中严重的气流冲刷和机械剥蚀作用下,复合材料中的叠层碳纤维布很容易逐层剥离,从而表现出比氧乙炔焰环境更大的质量烧蚀率和线烧蚀率。
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