碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料(C_f/UHTCs)综合了C/C复合材料优异的高温力学性能和超高温陶瓷抗氧化烧蚀性能突出的优点,有望成为极端条件下先进飞行器的耐超高温结构材料。反应熔渗法具有工艺简单、制备周期短、可近净成形、成本低、无污染等特点,成为制备碳纤维增强陶瓷基复合材料的优选工艺方法。碳化铪熔点高,而且其氧化物具有熔点高、高温下蒸发速率低的特点,使得碳化铪陶瓷抗高温氧化烧蚀性能突出。本文采用反应熔渗法制备了C_f/(Hf C+MC)复合材料。用扫描电镜、XRD和能谱分析等方法对不同成分合金的熔渗体的组织结构进行了表征。探讨了高铪合金熔渗碳/碳复合材料时瞬间液相产生的机理,分析了合金元素在熔渗过程中对合金液相生成、碳化反应、渗入深度等方面的影响,讨论了影响熔渗能力、熔渗组织的因素,分析了C_f/(Hf C+MC)复合材料的抗氧化烧蚀性能与力学性能特点。在熔渗过程中,bcc-Hf相对瞬间液相产生的机理起主导作用,与Hf的硅化物相比,bcc-Hf相更容易与C发生反应,放热热量较大,使得合金局部温度升高近480K,从而导致液相的生成;Zr的硅化物在熔渗温度下都可能与C反应生成Zr C,当Zr的含量高于60at%时,碳化反应产物中会生成少量的Si相,这有利于合金液相的生成但其对合金熔化瞬间生成液相的贡献不大。Ta元素对Hf基合金的碳化反应有促进作用,Ta会扩大bcc-Hf相存在的区域,使得在高温下合金中bcc-Hf相含量增高,从而加强了液相产生的作用。通过热力学理论模型计算了Ta和Si对铪基二元合金的表面张力的影响。随Ta含量的增加,Hf-Ta二元合金的表面张力增大;Si含量增加,Hf-Si二元合金表面张力降低。在石墨材料上打孔模拟C/C复合材料孔隙,研究了Hf-Si-Ta三元合金熔渗时熔渗组织形成的过程及影响熔渗能力的因素。Hf-Si-Ta三元合金熔渗时熔渗组织形成的过程为:熔体进入C/C预制体孔隙→先共晶相bcc-Hf(Ta)相在孔壁上析出→孔隙中心部位熔体凝固析出共晶相→预制体中碳与先共晶相bcc-Hf(Ta)相碳化反应形成Hf C、Ta C→预制体中C扩散至心部与共晶体中bcc-Hf(Ta)相碳化形成Hf C、Ta C。对于同一种熔渗合金,在孔径小于4mm情况下,孔径大小对熔渗深度影响不大。Ta元素对熔渗能力有影响,当Ta含量较低时,在熔体凝固过程中共晶相量较少,会产生离异共晶,依附生长于先共晶上形成了粗大bcc-Hf(Ta)相,随后碳化形成大块碳化铪堵塞了熔渗通道,降低了熔渗深度;当Ta含量较高时,凝固时共晶相量较高,则出现经典的共晶组织,熔渗组织中各相分布均匀,无粗大碳化铪,且随Ta含量的增加,Hf-Ta二元合金的表面张力增大,使熔渗深度增加,当Ta含量为10at%时,合金熔体的熔渗深度会大幅增加,达到40mm。用所设计的四种铪基合金反应熔渗制备了密度2.1~2.4g/cm3、气孔率为6%~8%的C_f/(Hf C+Zr C+Ta C)复合材料。用氧乙炔焰烧蚀仪进行了高温氧化烧蚀考核,用三点法测试了弯曲强度。结果表明,随着Ta含量增加,所制备的复合材料密度增大,气孔率减小,质量烧蚀率降低,50Hf-30Zr-10Si-10Ta合金熔渗制备的复合材料的质量烧蚀率为0.053g/s,材料表面的氧化物能够形成一层连续氧化层。50Hf-25Zr-10Si-15Ta合金熔渗制备的复合材料的弯曲强度为100MPa,随着Ta含量增加,材料的载荷-位移曲线从典型的脆性断裂型逐渐转变为假塑性断裂型。