碳/碳复合材料抗氧化水热改性研究

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高性能碳/碳(C/C)复合材料具有优异的力学性能和热稳定性,使其成为一种能在超高温条件下工作的高温结构材料,在航空航天领域具有广阔的应用前景。防氧化是C/C复合材料在高温有氧气氛下应用的前提条件。为了提高C/C复合材料在全温段的抗氧化性能,对C/C进行基体改性,提高其在低温段的抗氧化性能是一种很有效的方法。本研究则探索性地将C/C复合材料浸渍在含有氧化抑制剂的悬浮液中,采用水热法对C/C复合材料进行改性,提高其在低温段的抗氧化性能。采用XRD、SEM、EDS和XPS等分析手段研究了工艺因素对改性C/C复合材料的表面、断面的物相组成、显微结构的影响,并对改性材料的等温氧化性能、失效机理和氧化动力学进行了分析。主要研究内容和成果如下:   以分析纯(C2H5O)4Si为前驱物制备Si溶胶,采用水热法,用稀HCl控制溶胶pH值为4.30~4.80,对C/C复合材料进行基体改性。重点研究了水热反应温度、保温时间及添加物对改性C/C复合材料的显微形貌及抗氧化性能的影响。结果表明,在60~220℃的水热温度处理范围内,随着水热处理温度的升高,C/C复合材料的抗氧化性能呈现先降低,后提高的趋势;延长保温时间可以提高材料的抗氧化性能;添加了B2O3微粉的硅溶胶水热处理改性的C/C复合材料的抗氧化性能明显提高,其在500℃氧化5h后,没有产生氧化质量损失。   以分析纯磷酸、B4C、SiC和Al2O3粉料组成的悬浮液作为前驱体,采用水热法对C/C复合材料基体改性。重点研究了水热反应温度、保温时间及水热釜体积填充比对改性C/C复合材料的物相组成、微观结构及抗氧化性能的影响,对改性C/C复合材料的抗氧化性能进行了测试并分析了改性材料的失效机理。结果表明,经过水热改性处理,C/C复合材料表面缺陷被玻璃相B2O3、HPO3和微晶Al(PO3)3所组成的涂层所覆盖。当水热温度为200℃、水热釜体积填充比为70%、水热改性60h的C/C复合材料在700℃的空气中氧化10h后的质量损失仅为2.31%。涂层在700℃长时间静态氧化后,HPO3的脱水产物P2O5具有很高的蒸汽压,导致其逐渐挥发无法填充缺陷,最终导致涂层失效。C/C复合材料的抗氧化性能随着水热反应温度、保温时间和水热釜体积填充比的增加而提高。水热改性能在900℃以内的温度范围对C/C复合材料基体进行保护。   通过测试改性前后2D-C/C复合材料的氧化性能,得知,对于未改性材料,在同一温度下氧化质量损失与时间呈线性增加关系,且随着温度升高迅速增加。研究氧化动力学,发现氧化分为两个区域,化学反应控制区域(<600℃)和氧气扩散控制区域(600~900℃)。对于改性材料,700℃以下温度范围内,氧化反应激活能为155.1kJ/mol;在700~800℃,氧化反应激活能为56.3kJ/mol。
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