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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，是目前世界上先进复合材料领域的研究热点。C/C复合材料在使用中的一个严重不足是氧化侵蚀，在空气中C/C复合材料在400℃左右即开始氧化，随着使用温度的升高，性能受到严重影响。因此防氧化成为C/C复合材料高温有氧气氛下应用的前提条件。大量研究表明，基体改性方法是提高复合材料在低温阶段抗氧化性能的有效手段。本研究探索性的采用一种新的基体改性方法-微波水热过程，重点研究了微波水热工艺参数对改性后复合材料表面及断面物相组成、微观结构和抗氧化性能的影响。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)及热重-差热(TG-DSC)对改性后试样进行了表征。主要研究内容和成果如下。
以磷酸为填充液与改性剂，采用微波水热方法，主要研究了微波水热反应温度、时间对改性C/C复合材料的结构及抗氧化性能的影响。研究结果表明：复合材料的抗氧化性能在120-210℃的水热改性范围内随着温度的升高而提高；经4h水热处理后材料的抗氧化性能达最佳。改性后试样的抗氧化性能相对未改性的C/C复合材料抗氧化效果明显增加。
在磷酸中添加Al2O3粉体对C/C复合材料进行微波水热改性，研究表明，改性后复合材料表面覆盖了一层涂层，该涂层由玻璃态的H3PO4或HPO3和Al(PO3)3组成。在120-200℃的微波水热处理范围内，复合材料随着处理温度的升高，改性后试样的抗氧化性能明显变好。在200℃，40-120min的水热处理范围内，经过100min处理的试样抗氧化性能达到最佳，在600℃的空气气氛中氧化10h后的氧化失重率仅为1.3％，相对未改性的试样(氧化失重率为20.9％)抗氧化性能提高了16倍。在700℃左右生成的环状Al(PO3)3结构更有利于提高复合材料的抗氧化性能。
添加B4C的硼酸溶液微波水热改性C/C复合材料，重点研究了B4C的含量及氧化温度对改性C/C复合材料氧化性能的影响。在一定的氧化温度下，B4C含量高于9wt％时，改性后复合材料有较好的抗氧化性能。在600-700℃温度区间内，改性后复合材料的抗氧化性能综合最好。温度较低时氧化速率主要受B4C本身转化为玻璃态B2O3的速度影响，温度较高时，B2O3的挥发性及高温下B2O3的粘度对抗氧化性能产生重要影响。
以磷酸、B4C和Al2O3为原料，采用微波水热法对C/C复合材料基体进行了抗氧化改性。结果表明：改性后复合材料表面覆盖了一层由熔融态的H3PO4或HPO3、B2O3和结晶的Al(PO3)3微量B4C粒子组成的涂层。经60-120min的微波水热改性，复合材料的抗氧化性能随着微波水热处理时间的延长而改善，达到一定程度后，其变化不再明显。微波水热处理100min后的试样抗氧化性能最佳，在600℃静态空气气氛下氧化16h后，氧化失重仅为9.5×10-4g/cm2，氧化失重速率维持在4.46×10-5g/cm2·h的极低水平。