C/C-ZrB2（ZrC、TaC）超高温陶瓷基复合材料制备工艺及性能研究

论文摘要

高超音速飞行器再入过程中,所承受的环境非常恶劣,特别是端头和机翼前缘,需要在氧化性环境中耐受长时间超高温和高速气流冲刷作用,因此对其防热材料提出了苛刻的要求。本文在分析国内外耐超高温材料研究的基础上,开展了超高温碳基复合材料的研究,采用泥浆涂刷法引入超高温陶瓷组分（ZrB2、ZrC、TaC）,采用先驱体浸渍裂解工艺引入基体碳,制备了新型的C/C-ZrB2（ZrC、TaC）超高温复合材料,考察了先驱体种类、交联、浸渍、穿刺等工艺参数对复合材料结构和性能的影响。采用呋喃树脂、酚醛树脂、沥青作为碳源,研究了交联或浸渍工艺对C/C-ZrB2复合材料结构和性能的影响。选用呋喃树脂作为碳源,采用浸渍-交联-裂解工艺制备C/C-ZrB2复合材料时,树脂交联过程中体积膨胀,而裂解过程中体积收缩,导致层间结合较差,最终影响到复合材料的综合性能;采用浸渍后直接裂解工艺制备的复合材料致密度高,力学性能和抗氧化性能较好。选用残碳率高的酚醛树脂作为碳源,经浸渍-交联-裂解工艺制备的C/C-ZrB2复合材料致密度高,从而可以大幅提高其力学、抗氧化及抗烧蚀性能;而采用浸渍后直接裂解工艺制备的复合材料密度低、开孔率高,相应的力学、抗氧化、抗烧蚀性能均较差。分别浸渍沥青溶液和熔融沥青制备了C/C-ZrB2复合材料,采用沥青溶液制备的复合材料密度较低,力学、抗氧化和抗烧蚀性能较差;熔融沥青制备的复合材料综合性能较好,但熔融浸渍工艺需要高温高压设备,成本较高,限制了沥青的应用。综上所述,酚醛树脂是适宜PIP工艺的先驱体,且采用浸渍-交联-裂解工艺制备的复合材料性能最佳。研究了耐超高温陶瓷粉体含量对C/C-ZrB2、C/C-ZrC、C/C-TaC复合材料结构和性能的影响。随ZrB2含量的增加,制备的C/C-ZrB2复合材料密度增加,线烧蚀率呈现先降低后增加的趋势,涂刷ZrB2体积含量为10%的泥浆制备的ZB10复合材料具有较为优异的综合性能,弯曲强度为250.37MPa,断裂韧性为13.84MPa·m1/2;经过1200℃氧化30min质量保留率达到90.65%,强度保留率达到85.14%;经60s氧乙炔焰烧蚀考核质量烧蚀率为0.01802g/s,线烧蚀率为0.0122mm/s。随着ZrC含量的增加,C/C-ZrC复合材料制备过程中膨胀现象愈加严重,开孔率逐渐增大,抗氧化、耐烧蚀性能显著降低,涂刷ZrC体积含量为15%的泥浆制备的ZC15复合材料综合性能较优,弯曲强度为217.54MPa,断裂韧性为12.00MPa·m1/2;经过1200℃氧化30min质量保留率达到90.91%,强度保留率达到82.04%;质量烧蚀率为0.01827g/s,线烧蚀率为0.0193mm/s。随着TaC含量的增加,制备的C/C-TaC复合材料密度增加,致密度的变化使复合材料的力学性能和抗烧蚀性能均呈现先升后降的趋势,涂刷TaC体积含量为15%的泥浆制备的TC15复合材料综合性能较好,弯曲强度为260.99MPa,断裂韧性为13.21MPa·m1/2;经过1200℃氧化30min质量保留率达到92.12%,强度保留率达到75.03%;质量烧蚀率为0.02510g/s,线烧蚀率为0.0290mm/s。研究了穿刺工艺对复合材料性能的影响。穿刺工艺可以提高C/C-ZrB2（TaC、ZrC）复合材料的致密度、降低开孔率;增强层间剪切强度;减轻高速气流冲刷,提高抗烧蚀能力。与未穿刺样品相比,C/C-ZrB2复合材料线烧蚀率从0.0135mm/s降低到0.0075mm/s。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超高温陶瓷基复合材料应用背景
• 1.2 超高温材料研究进展
• 1.2.1 难熔金属
• 1.2.2 石墨材料
• 1.2.3 超高温陶瓷
• 1.2.4 SiC基复合材料
• 1.3 C/C复合材料研究进展
• 1.3.1 C/C复合材料的组成
• 1.3.2 C/C复合材料的制备工艺
• 1.3.3 C/C复合材料的改性
• 1.4 论文选题依据和研究内容
• 1.4.1 选题依据
• 1.4.2 研究内容及应用前景
• 1.4.3 原料、工艺的选用
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料
• 2.1.1 碳纤维
• 2.1.2 呋喃树脂
• 2.1.3 酚醛树脂
• 2.1.4 沥青
• 2.1.5 超高温陶瓷粉体
• 2.1.6 其他材料
• 2.2 实验仪器和设备
• 2.3 材料制备
• 2（ZrC、TaC）复合材料预制体成型工艺'>2.3.1 C/C-ZrB₂（ZrC、TaC）复合材料预制体成型工艺
• 2（ZrC、TaC）复合材料致密化工艺'>2.3.2 C/C-ZrB₂（ZrC、TaC）复合材料致密化工艺
• 2.4 分析与表征
• 2.4.1 密度及开孔率
• 2.4.2 常温力学性能
• 2.4.3 抗氧化性能
• 2.4.4 抗烧蚀性能
• 2.4.5 形貌与成分
• 第三章 适宜PIP工艺先驱体树脂选择及其复合材料制备初步研究
• 3.1 先驱体树脂的表征
• 3.1.1 呋喃树脂
• 3.1.2 酚醛树脂
• 3.1.3 沥青
• 2复合材料的初步研究'>3.2 呋喃树脂制备C/C-ZrB₂复合材料的初步研究
• 2复合材料的制备'>3.2.1 C/C-ZrB₂复合材料的制备
• 3.2.2 常温力学性能
• 3.2.3 抗氧化性能
• 3.2.4 抗烧蚀性能
• 2复合材料的初步研究'>3.3 酚醛树脂制备C/C-ZrB₂复合材料的初步研究
• 2复合材料的制备'>3.3.1 C/C-ZrB₂复合材料的制备
• 3.3.2 常温力学性能
• 3.3.3 抗氧化性能
• 3.3.4 抗烧蚀性能
• 2复合材料的初步研究'>3.4 沥青制备C/C-ZrB₂复合材料的初步研究
• 2复合材料的制备'>3.4.1 C/C-ZrB₂复合材料的制备
• 3.4.2 常温力学性能
• 3.4.3 抗氧化性能
• 3.4.4 抗烧蚀性能
• 3.5 本章小结
• 2（ZrC、TaC）复合材料制备及性能研究'>第四章 C/C-ZrB₂（ZrC、TaC）复合材料制备及性能研究
• 2含量对C/C-ZrB₂复合材料结构及性能的影响'>4.1 ZrB₂含量对C/C-ZrB₂复合材料结构及性能的影响
• 2复合材料的制备'>4.1.1 C/C-ZrB₂复合材料的制备
• 4.1.2 常温力学性能
• 4.1.3 抗氧化性能
• 4.1.4 抗烧蚀性能
• 4.1.5 氧乙炔焰烧蚀机理分析
• 4.2 ZrC含量对C/C-ZrC复合材料结构及性能的影响
• 4.2.1 C/C-ZrC复合材料的制备
• 4.2.2 常温力学性能
• 4.2.3 抗氧化性能
• 4.2.4 抗烧蚀性能
• 4.2.5 氧乙炔焰烧蚀机理分析
• 4.3 TaC含量对C/C-TaC复合材料结构及性能的影响
• 4.3.1 C/C-TaC复合材料的制备
• 4.3.2 常温力学性能
• 4.3.3 抗氧化性能
• 4.3.4 抗烧蚀性能
• 4.3.5 氧乙炔焰烧蚀机理分析
• 4.4 本章小结
• 2（ZrC、TaC）复合材料制备及性能研究'>第五章 穿刺C/C-ZrB₂（ZrC、TaC）复合材料制备及性能研究
• 2（ZrC、TaC）复合材料的制备'>5.1 穿刺C/C-ZrB₂（ZrC、TaC）复合材料的制备
• 5.2 常温力学性能
• 5.3 抗氧化性能
• 5.4 抗烧蚀性能
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果