C/C和C/C-UHTC复合材料烧蚀机理研究

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	C/C和C/C-UHTC复合材料烧蚀机理研究
	汤素芳
学位类型	博士
导师	杨柯
	2006-06-16
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	金属研究所
学位专业	材料学
关键词	C/c复合材料掺杂c/c C/c-uhtc 孔隙率力学性能热物理性能烧蚀 Xps
摘要	近年来，高超音速飞行器的发展引起了人们越来越广泛的关注。由于飞行器长时间高速在大气层中机动飞行，对气动外形的要求极为苛刻，对材料的防热性能提出了长时间抗氧化、超高温和零烧蚀等新的性能要求。本论文以抗氧化C/C复合材料的烧蚀防热为应用背景，在研究了不同纤维预制体对材料力学性能、热物理性能和热震性能影响的基础上，开展了C/C复合材料烧蚀性能研究，并讨论了相关因素对烧蚀性能的影响；研究了SiC和TaC颗粒掺杂C/C复合材料的力学性能，并探讨了掺杂C/C的烧蚀机理；在此基础上，开展了以ZrB2为基础单元的系列C/C-UHTC（Ultra-high-temperature-ceramic）复合材料烧蚀性能研究，并探讨了不同超高温陶瓷组元和配比对烧蚀行为的影响。其主要工作和结论如下：（1）从孔隙结构和裂纹扩展路径入手，研究了不同纤维预制体对C/C复合材料力学性能的影响，并分析了材料的拉伸断裂模式。结果表明，纤维预制体对C/C复合材料力学性能的影响主要取决于加载方向的纤维含量和取向、孔隙分布以及纤维束之间的界面结合。无纬布C/C和斜纹布C/C随着铺层秩序从0°/0°、0°/90°变化到0°/45°，其拉伸强度、弯曲强度和模量依次降低。（2）从质点间结合力和声子传热出发，解释了不同纤维预制体对C/C复合材料热物性能的影响。结果显示，纤维预制体对C/C复合材料热物理性能的影响主要依赖于测量方向上纤维含量和取向，以及热解碳片层的取向。（3）从C/C复合材料的力学性能、热物理性能、热震性能和热化学性能四个方面对材料的烧蚀性能进行了分析。结果显示，纤维预制体对C/C复合材料烧蚀率的影响主要决定于表面纤维取向、开口孔隙率和热导率。0°/45°无纬布C/C由于开口孔隙少，XY方向热导率大，表现出最好的抗烧蚀性能。C/C表面的针刺纤维束和束间孔加速了材料的烧蚀。（4）C/C复合材料小型发动机烧蚀机理主要表现为氧化，机械剥蚀在烧蚀过程中也起到一定的作用。（5）采用粉末渗透技术和化学气相渗复合工艺成功的制备了SiC和TaC颗粒掺杂C/C复合材料，提出了纤维-颗粒双元增强机制，并结合开口孔隙率、束间和层间界面面积以及颗粒-基体界面结合等因素解释了掺杂C/C力学性能的差异。SiC掺杂C/C因其小的开口孔隙率、大的界面面积、好的界面结合以及SiC颗粒的偏转作用，表现出优越的力学性能。（6）研究了SiC和TaC掺杂C/C小型发动机烧蚀的物理过程，通过分析Knudsen扩散系数在烧蚀过程中的变化以及烧蚀产物的物理特性，阐明了掺杂C/C的烧蚀机理。（7）采用粉末渗透技术和化学气相渗复合工艺成功地制备了系列C/C-UHTC复合材料，并对其小型发动机烧蚀性能进行了考察。研究发现，C/C-ZrB2复合材料的烧蚀机理主要表现为：强烈的机械剥蚀、C基体的氧化、B2O3弱的化学和物理阻挡、ZrO2的物理阻挡和气体的质量引射。SiC的添加改善了C/C-ZrB2复合材料的烧蚀性能。不同ZrB2-SiC体积比对C/C-ZrB2-SiC复合材料的烧蚀性能产生了一定的影响。TaC的添加恶化了C/C-ZrB2-SiC复合材料的烧蚀性能。HfC的添加对C/C-ZrB2-SiC的烧蚀性能有一定的积极作用。（8）研究了C/C-UHTC复合材料氧-乙炔烧蚀性能，考察了材料在不同热流密度和烧蚀时间下的烧蚀行为。结果发现：随着热流密度从3920 kW/m2、3200 kW/m2降至2380 kW/m2，复合材料的烧蚀率明显降低；C/C-ZrB2、C/C-4ZrB2-1SiC和C/C-1ZrB2-2SiC-2HfC的烧蚀机理由氧化和机械剥蚀逐渐过渡到主要由氧化控制，C/C-1ZrB2-2SiC、C/C-1ZrB2-2SiC-2TaC和C/C-4ZrB2-1SiC-4TaC的烧蚀机理由氧化和机械剥蚀控制。（9）在三种不同热流密度下，C/C-ZrB2的烧蚀行为依次表现为：a) 致密熔融ZrO2保护层的物理阻挡；b) 固相ZrO2网络结构的原位阻挡；c) 固相ZrO2网络结构的原位阻挡以及液相B2O3有限的氧化防护。C/C-4ZrB2-1SiC的烧蚀行为依次表现为：a) 熔融ZrO2保护层的物理阻挡，以及玻璃相的大量挥发和机械剥蚀；b) 与上类似；c) 硅酸盐玻璃相阻碍氧气扩散和ZrO2的支撑作用。C/C-1ZrB2-2SiC-2HfC在三种热流密度下的烧蚀行为均表现为高熔点相HfO2和HfC1-xOx较好的耐冲刷能力，以及低氧气扩散率的硅酸盐的形成。C/C-1ZrB2-2SiC、C/C-1ZrB2-2SiC-2TaC和C/C-4ZrB2-1SiC-4TaC在三种热流密度下都主要表现为低熔点液相的强烈剥蚀。热流密度为2380 kW/m2时，随着烧蚀时间延长，C/C-ZrB2、C/C-4ZrB2-1SiC和C/C-1ZrB2-2SiC-2HfC均能起到较好的热防护。
页数	125
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17007
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	汤素芳. C/C和C/C-UHTC复合材料烧蚀机理研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所,2006.