Cf/C-SiC-MoSi2复合材料的制备及抗烧蚀性能研究

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随着超音速飞行器、载人飞船、火箭推进装置的快速发展,人们对应用于热防护系统的高温功能材料提出了更高的要求,不仅要具有出色的绝热性能和抗烧蚀能力,而且也要求质量轻、强度高。碳/碳(C/C)复合材料由于令人信服的各项性能完全可以胜任热防护材料。但在高温下的氧化会造成材料强度退化,因而制约了它们的应用。目前,除了涂层法之外,向 C/C复合材料中引入耐高温陶瓷材料也是提高其抗烧蚀、抗氧化性能的有效手段,即发展C/C-耐高温陶瓷(C/C-UHTCs)复合材料。本文采用真空抽滤渗透、水热渗透并结合水热碳化致密的方法制备了Cf/C-SiC-MoSi2复合材料。研究了不同方法制备的复合材料的微观结构、力学性能、烧蚀性能。借助 XRD、SEM、EDS、XRF等分析测试手段对复合材料性能测试前后的组成、结构进行了全面的表征。着重分析了Cf/C-SiC-MoSi2复合材料的烧蚀行为,并研究了烧蚀机理。  本研究主要内容包括:⑴采用真空抽滤渗透结合水热碳化方法制备的Cf/C-SiC-MoSi2复合材料具有梯度结构的特征。MoSi2在抽滤下表面含量更多,向上逐渐减少。而 SiC在整个复合材料中则是均匀分布的。复合材料的密度、热导率自下而上减少,孔隙率变化趋势相反。密度为1.72 g?cm-3的 Cf/C-SiC-MoSi2复合材料在温度为2273 K的氧乙炔焰下,经过30 s测试后的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.0051 mm?s-1、0.76 mg?s-1。另外 SiC/MoSi2质量比对 Cf/C-SiC-MoSi2复合材料的性能有较大影响。SiC含量越多,复合材料弯曲强度越高、抗烧蚀能力越强。因为SiC的加入可以提高复合材料界面结合强度,使复合材料孔隙率降低,并且还能缓解 MoSi2与碳材料之间热膨胀系数的不匹配性。烧蚀过程中, SiO2、Mo4.8Si3C0.6等氧化产物的生成可以有效防止基体被进一步氧化。气体的挥发可以带走复合材料表面热量,这对其烧蚀能力的增强也是有益的。⑵采用水热渗透结合水热碳化法制备的 Cf/C-SiC-MoSi2复合材料结构致密。研究发现,水热渗透过程的动力学活化能为51.3 kJ?mol-1。因为压力的增加可以使陶瓷颗粒克服更多的渗透阻力,使复合材料中陶瓷成分的比例提升。因此水热温度越大,陶瓷分布深度越深,复合材料密度越高,孔隙率越低。水热渗透温度为413 K时,复合材料的弯曲强度为58 MPa,而渗透温度达到473 K时,弯曲强度增加到了111 MPa。经过2573 K等离子火焰烧蚀60 s之后,473 K时制备的试样质量烧蚀率仅为2.28 mg?cm-2?s-1。与413 K、433 K、453 K制备的试样相比,分别下降了65%,54%和29%。烧蚀过程中,复合材料受到了等离子火焰化学腐蚀和机械剥蚀的共同作用。由于等离子火焰温度和气流速度会沿烧蚀中心向外递减,所以复合材料不同烧蚀区域烧蚀结果不同。中心区域碳纤维被侵蚀成了针状,说明烧蚀严重;中心过渡区域发现了 SiO2保护层;过渡区有板状 MoO2;边缘区烧蚀温度低,受到的损害最轻。
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