陶瓷基复合材料基体氧化行为研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:luzhengnan801106
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SiC/SiC陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,简称CMCs)由于其高比强度,高比模量,耐磨性以及在高温下的稳定性和抗氧化性被广泛用于航空发动机热端部件。氧化是CMCs所面临的最为常见的一种失效形式,将使得其力学性能快速衰退,进而造成SiC/SiC复合材料以及部件寿命的衰减。CMCs主要由基体、纤维以及界面组成,三者氧化性能各异,且都会对复合材料最终呈现的氧化行为产生影响,因此理解SiC/SiC各组分的氧化机理是研究氧化问题的基础和前提。有必要对CMCs的组分尤其是基体的氧化行为进行研究。本文采用与CMCs基体具有相同晶体类型的直接烧结SiC进行氧化研究。主要包括恒温氧化试验、循环氧化试验和分子动力学模拟三部分,主要工作和结论如下:(1)采用热重分析仪及管式炉进行直接烧结SiC的不同温度及不同氧化时间的恒温氧化试验,并对氧化产物进行表征,结合氧化动力学曲线及氧化产物特征,获取直接烧结SiC恒温氧化的氧化动力学及氧化机理。结果表明:随氧化时间的增加,直接烧结SiC在1400℃下氧化分为3个氧化阶段。三个阶段的氧化行为都遵循抛物线氧化规律,氧化过程由氧气扩散通过SiO2控制。第1阶段氧气以分子扩散的形式扩散通过无定形SiO2,第2阶段以离子扩散形式扩散通过结晶的球晶特征的SiO2氧化层,第3阶段以离子扩散形式扩散通过细晶结构的SiO2氧化层,但细晶结构将增加更多的晶界作为O2的扩散通道。且氧化程度也随氧化温度的升高而增加。基于1400℃不同氧化时间下的氧化层厚度分布数据建立氧化层厚度分布预测模型,其拟合相关系数R~2大于95%,可对1400℃下300h内氧化层厚度分布进行有效预测。(2)采用管式炉对直接烧结SiC在静止空气中进行1300℃下循环周期为5h的以及1400℃下循环周期分别为1h、3h、5h的循环氧化试验,使用分析天平以及扫描电镜对氧化产物进行表征,获取直接烧结SiC的循环氧化机理。结果表明:直接烧结SiC的循环氧化行为由短时间内的抛物线氧化增重过程与长时间氧化产生的氧化层剥落造成的失重过程组成;随循环氧化时间的增加,可将循环氧化过程分为4个阶段:氧化、扩散、开裂、剥落,且4个阶段形成循环过程,最终导致了直接烧结SiC在循环氧化过程中的多层氧化层剥落行为。随氧化温度的升高,SiC氧化速率增加,且更快进入氧化失重阶段;循环氧化周期越短,越易发生局部剥落行为,循环氧化过程受氧化层开裂及剥落影响越严重;循环周期越长,受氧化层开裂及剥落影响推迟,但容易发生氧化层的整体剥落行为。(3)为直观获取SiC恒温氧化机理,使用LAMMPS软件对6H-SiC进行分子动力学模拟,并采用修正的Deal-Grove模型对模拟结果进行分析整理,以获取其氧化动力学模型及氧化机理。结果表明:6H-SiC高温氧化由O2向内扩散通过SiO2氧化层控制,同时伴随着C元素向内聚集,与O2反应生成CO与CO2,最终以气泡的形式逸出。6H-SiC的氧化动力学曲线遵循抛物线规律,氧化反应的活化能Ea=65 k J·mol-1。模拟结果表明6H-SiC氧化反应的活化能与O2浓度无关,只与反应物种类相关。
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