浆料浸渍法制备C/SiC-ZrB2（ZrC）复合材料工艺与性能研究

论文摘要

高超声速飞行器端头和机翼前缘等部位需要在超高温氧化气氛的苛刻环境中工作,对高温结构材料的耐温性能、抗氧化性能和抗烧蚀性能提出了更高要求。本文采用浆料浸渍工艺制备具有明显梯度结构的连续纤维增强超高温陶瓷基复合材料,以充分发挥超高温陶瓷的高温性能和碳纤维增强体的增韧作用。研究了浆料组成、浸渍工艺等对复合材料梯度结构与性能的影响,分析了复合材料的力学性能、高温抗氧化、抗烧蚀性能。首先,研究了浆料的稳定性和流动性与浆料组成的关系,确定了稳定性和流动性较好、可以满足后续复合材料制备的浆料配比分别为:mPCS:mXylene:mSiC=1:1:0.3（SC-15）、1:1:0.6（SC-30）、1:1:0.9（SC-45）;mPCS:mXylene:mZrB2=0.8:1.2:0.1（ZB-5）、0.8:1.2:0.2（ZB-10）、0.8:1.2:0.4（ZB-20）;mPCS:mXylene:mZrC=0.8:1.2:0.1（ZC-5）、0.8:1.2:0.2（ZC-10）、0.8:1.2:0.4（ZC-20）。探索了浸渍工艺对C/SiC复合材料制备工艺、组成和性能的影响。分别采用真空袋—加压浸渍工艺与真空—加压浸渍工艺制备得到C/SiC复合材料,前者制备复合材料前三轮浸渍效率较高,经过三轮浸渍,复合材料密度即可达到1.58g/cm3（相当于复合材料最终密度的85%）。真空袋——加压浸渍制备的三种试样SC-15、SC-30和SC-45的弯曲强度分别为389.8MPa、368.4MPa和351.9MPa,密度分别为1.82g/cm3、1.85 g/cm3、1.84 g/cm3,碳纤维体积分数在40%左右,SiCp的体积分数分别为10.27%、13.88%、18.74%,SiC基体的体积分数分别为18.63%、16.75%、12.86%,材料中孔隙率都在29%左右;而真空—加压浸渍制备的试样的弯曲性能分别为410.8MPa、397.0MPa和344.5MPa,复合材料密度分别为1.84 g/cm3、1.88 g/cm3、1.85 g/cm3,碳纤维体积分数在40%左右,SiCp的体积分数分别为9.84%、14.35%、18.87%,SiC基体的体积分数分别为19.69%、15.75%、13.02%,材料中孔隙率也都在29%左右;两种工艺制备的复合材料结构和性能差别不大。但是真空袋—加压工艺复杂,浸渍浆料存在严重的浪费,因此后续的实验选用真空——压力浸渍工艺。同时,对C/SiC复合材料的密度梯度和孔隙率分布情况进行了研究,结果表明材料表面1mm厚度区域存在明显的密度梯度和孔隙梯度,复合材料内侧的密度梯度和孔隙率梯度都不明显,因此认为粉体的有效浸渍深度为1mm。研究了浆料中ZrB2p含量对C/SiC-ZrB2复合材料制备工艺、结构和性能的影响。随粉体含量的提高,试样的密度、基体中SiC的含量和弯曲强度降低,复合材料中的超高温陶瓷粉体、孔隙率升高、高温抗氧化性能和抗烧蚀性能提高,弯曲强度依次为438.6MPa、417.9MPa、386.7MPa,密度分别为1.89g/cm3、1.97g/cm3、1.94g/cm3,碳纤维体积分数在42%左右,Zr B2p的体积分数分别为4.05%、6.57%、9.36%,SiC基体的体积分数分别为36.07%、32.26%、26.95%,材料中孔隙率分别为17.07%、19.56%和22.59%。1600℃氧化20min后,质量保留率达96.99%,强度保留率达到0.4%。氧乙炔焰烧蚀过程中,质量烧蚀率达0.0030g/s,线烧蚀率达0.0047mm/s。结合切口的SEM和EDS分析了C/SiC-ZrB2内部超高温陶瓷粉体的梯度分布情况,结果表明大量超高温陶瓷粉体富集于复合材料表面,形成了比较致密的壳层,复合材料内部超高温陶瓷含量很低。对比分析了氧化前后试样表面和断口的形貌,复合材料氧化过程中生成了流动性较好的ZrO2-B2O3-SiO2玻璃体,在复合材料表面铺展,阻止了材料内部进一步被氧化。考察了浆料中ZrCp含量对C/SiC-Zr C复合材料制备工艺、结构和性能的影响。随粉体含量的提高,试样的密度、基体中SiC的含量和弯曲强度降低,复合材料中的超高温陶瓷粉体增多,高温抗氧化性能和抗烧蚀性能提高,弯曲强度依次为431.1MPa、416.2MPa、378.4MPa,密度分别为1.96g/cm3、2.01g/cm3、2.12g/cm3,碳纤维体积分数在43%左右,ZrCp的体积分数分别为4.31%、6.34%、8.96%,SiC基体的体积分数分别为31.83%、29.73%、27.88%,材料中孔隙率分别为19.44%、21.02%和20.96%。1600℃氧化20min后,质量保留率达96.08%,强度保留率达到78.6%。氧乙炔焰烧蚀过程中,质量烧蚀率达0.0025g/s,线烧蚀率达0.0017mm/s。结合切口的SEM和EDS分析了C/Si C-ZrC内部超高温陶瓷粉体的梯度分布情况,结果表明大量超高温陶瓷粉体富集于复合材料表面,形成了比较致密的壳层,复合材料内部超高温陶瓷含量很低。对比分析了氧化前后试样表面和断口的形貌,复合材料氧化过程中由于温度低,生成的Zr O2成疏松多孔的粉末结构,不能很好地在复合材料表面铺展,导致氧化后的强度保留率低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 超高温材料研究进展
• 1.2.1 难熔金属及其合金
• 1.2.2 改性的碳/碳复合材料
• 1.2.3 超高温陶瓷
• 1.3 连续纤维增强超高温陶瓷基复合材料研究进展
• 1.3.1 结构与组成设计
• 1.3.2 制备工艺
• 1.4 选题依据与研究内容
• 1.4.1 选题依据
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 实验与研究方法
• 2.1 实验用材料与主要设备
• 2.1.1 增强纤维及其织物
• 2.1.2 陶瓷先驱体
• 2.1.3 陶瓷粉体
• 2.1.4 其它材料
• 2.1.5 主要实验设备
• 2.2 浆料浸渍法制备C/UHTCp/SiC复合材料的工艺过程
• 2.2.1 碳纤维预制件的制作
• 2.2.2 复合材料坯体的制备
• 2.2.3 C/UHTCp/SiC复合材料的致密化过程
• 2.3C/UHTCp/SiC复合材料性能测试
• 2.3.1 密度测试
• 2.3.2 力学性能测试
• 2.3.3 抗烧蚀性能测试
• 2.3.4 抗氧化性能测试
• 2.3.5 微观组织结构分析
• 第三章C/SiC复合材料制备工艺的设计与探索
• 3.1 复合材料制备工艺研究
• 3.1.1 纤维编织物增强体的选用分析
• 3.1.2 浸渍浆料的设计与优化
• 3.1.3 复合材料制备工艺路线
• 3.2 C/SiC复合材料梯度结构和性能研究
• 3.2.1 C/SiC复合材料梯度结构
• 3.2.2 C/SiC复合材料成分分析
• 3.2.3 浆料配比和制备工艺对复合材料性能的影响
• 3.3 本章小结
• 2复合材料制备工艺与性能研究'>第四章C/SiC-ZrB₂复合材料制备工艺与性能研究
• 2复合材料制备工艺'>4.1 C/SiC-ZrB₂复合材料制备工艺
• 2复合材料的结构与性能研究'>4.2 C/SiC-ZrB₂复合材料的结构与性能研究
• 2梯度结构分析'>4.2.1C/SiC-ZrB₂梯度结构分析
• 2复合材料组成分析'>4.2.2 C/SiC-ZrB₂复合材料组成分析
• 2的力学性能'>4.2.3C/SiC-ZrB₂的力学性能
• 2高温抗氧化性能和烧蚀性能研究'>4.3 C/SiC-ZrB₂高温抗氧化性能和烧蚀性能研究
• 4.3.1C/SiC-ZrB2复合材料抗氧化性能及其机理研究
• 2复合材料抗烧蚀性能'>4.3.2C/SiC-ZrB₂复合材料抗烧蚀性能
• 4.4 本章小结
• 第五章C/SiC-ZrC复合材料的制备工艺与性能研究
• 5.1 C/SiC-ZrC复合材料的制备工艺
• 5.2 C/SiC-ZrC复合材料力学性能与微观结构
• 5.2.1 C/SiC-ZrC复合材料梯度结构
• 5.2.2 C/SiC-ZrC复合材料成分分析
• 5.2.3C/SiC-ZrC复合材料的力学性能
• 5.3 C/SiC-ZrC复合材料高温抗氧化性能和抗烧蚀性能研究
• 5.3.1 C/SiC-ZrC复合材料抗氧化性能及其机理研究
• 5.3.2 C/SiC-ZrC复合材料抗烧蚀性能
• 5.4 本章小节
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果