【摘 要】
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为了满足新一代飞行器热结构部件对热防护材料的需求,提升C/C复合材料的抗氧化能力和抗烧蚀性能,本文以C/C复合材料为基础,采用反应熔渗工艺快速、高效地将ZrC陶瓷组元引入到C/C复合材料基体中,制备C/C-ZrC复合材料。通过对C/C复合材料坯体特性进行表征,研究了不同密度、不同结构C/C坯体的熔渗效果。重点探讨了细编穿刺、针刺结构的碳纤维预制体和沉积碳基体、沥青碳基体对RMI法制备C/C-ZrC
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为了满足新一代飞行器热结构部件对热防护材料的需求,提升C/C复合材料的抗氧化能力和抗烧蚀性能,本文以C/C复合材料为基础,采用反应熔渗工艺快速、高效地将ZrC陶瓷组元引入到C/C复合材料基体中,制备C/C-ZrC复合材料。通过对C/C复合材料坯体特性进行表征,研究了不同密度、不同结构C/C坯体的熔渗效果。重点探讨了细编穿刺、针刺结构的碳纤维预制体和沉积碳基体、沥青碳基体对RMI法制备C/C-ZrC复合材料组织结构、力学性能、热物理性能以及烧蚀性能的影响。主要研究内容和结果如下:首先,对C/C复合材料织物结构、工艺方法等对坯体孔隙结构的影响进行研究。较为深入地研究了C/C复合材料织物的孔隙结构与增密情况,探究了制备工艺对坯体孔隙结构与分布的影响。研究发现:坯体中的孔隙主要分为毫米级孔隙和微米级孔隙两类。毫米级孔隙主要受坯体采用的碳纤维预制体种类影响,微米级孔隙主要受引入基体碳种类的影响,沥青碳基体的微米级孔隙平均孔径更小。毫米级孔隙决定C/C-ZrC复合材料中ZrC的含量。微米级孔隙决定C/C-ZrC复合材料的最终孔隙率和平均孔径。其次分析了C/C复合材料坯体的特征对C/C-ZrC复合材料致密程度、显微结构、陶瓷相含量等方面的影响。研究发现:经过两轮沥青浸渍、碳化,密度在1.2 g·cm-3左右的针刺结构C/C坯体渗透效果最好。经过一轮沥青浸渍、碳化的细编穿刺结构C/C坯体渗透效果最好。引入沥青碳基体制备的材料中ZrC的质量分数更高。最后,研究了C/C-ZrC复合材料制备工艺-显微结构-力学性能-烧蚀性能之间的相互关系,对材料性能的影响因素进行了分析。研究发现:采用针刺结构预制体制备的C/C-ZrC复合材料在承受弯曲载荷时挠度更小,弯曲弹性模量更高,断裂应变更低,弯曲强度略低于细编穿刺结构的C/C-ZrC复合材料;引入沉积碳基体制备的C/C-ZrC复合材料力学性能更好;C/C-ZrC复合材料的热膨胀系数随温度升高而增加,在1000℃时达到最大值6.63×10-6·K-1;热扩散系数随着ZrC含量的增大而减小,随着温度升高而下降;比热容随着ZrC含量的增大而减小,随着温度的升高而增加;热导率随着ZrC含量的增大而减小,随温度升高而下降,由室温下的39.67 W·m-1·K-1最终在1200℃是下降到18.55 W·m-1·K-1;制备的C/C-ZrC复合材料表现出优异的抗烧蚀性能,采用针刺结构预制体制备的C/C-ZrC复合材料线烧蚀率更低;引入沉积碳基体的C/C-ZrC复合材料烧蚀率更低,烧蚀性能更好。适当提升C/C-ZrC复合材料中的ZrC质量分数可以提升材料的烧蚀性能。
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