【摘 要】
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耐高温碳基复合材料（碳纤维增强碳基复合材料:C/C）作为一种高性能结构材料在航空航天以及民用高技术领域内极具应用潜力。然而,过强的纤维-基体界面结合会使碳基复合材料发生脆
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耐高温碳基复合材料（碳纤维增强碳基复合材料:C/C）作为一种高性能结构材料在航空航天以及民用高技术领域内极具应用潜力。然而,过强的纤维-基体界面结合会使碳基复合材料发生脆性断裂。同时,碳基复合材料易氧化的缺点严重制约了其在高温氧化环境下的长时间使用。为了改善碳基复合材料的力学性能及抗氧化性能,本文以操作简单、经济可调的方式制备了C/C复合材料,通过对碳纤维热处理改变了纤维-基体界面结合强度,从而实现了对力学性能的调控,同时制备了抗氧化涂层并对其抗氧化性能进行了研究。主要结果概括如下:（1）在不同温度下（RT-1500℃）对碳纤维进行了热处理,采用处理的纤维作为增强体,以酚醛树脂为碳基体先驱体,利用PIP工艺制备了C/C复合材料。微观形貌观察发现纤维热处理能够改变C/C（经过一次裂解后）复合材料的孔隙尺寸及分布模式。力学性能测试表明随着热处理温度提高,C/C复合材料的力学性能不断提高。相比于未处理纤维增强的复合材料,1200℃热处理纤维增强材料的弯曲强度及层间剪切强度分别提高了158%和121%,同时其脆性断裂模式改变为假塑性断裂模式。抗氧化性能测试发现C/C约在600℃发生明显氧化,600℃热处理纤维增强材料的抗氧化性能提升,而更高的温度处理纤维会降低材料的抗氧化性能。力学性能的显著改善主要是由于热处理降低了纤维表面的反应活性,使得其增强的C/C复合材料获得了结合适宜的纤维-基体界面,但是界面结合强度的下降不利于抗氧化性能的提升。（2）以1200℃热处理碳纤维增强碳基复合材料为基底,采用浆料涂刷法制备了ZrB2-SiC涂层,发现涂层中存在较多裂纹,裂纹产生的原因是C/C与涂层热膨胀系数不匹配引发了热应力。为缓解热应力,采用浆料涂刷法和包埋法两种工艺制备了SiC过渡涂层,为加强SiC过渡涂层与C/C的结合,对C/C基底进行了预氧化,为加强SiC过渡涂层与外涂层的结合,在SiC过渡涂层表面制备了SiC纳米纤维。获得的ZrB2-SiC外涂层均匀致密,在1300℃高温大气环境下,涂层表面形成了具有良好流动性的熔融态SiO2保护膜,该保护膜抑制了氧扩散进材料内部,保护膜中镶嵌的ZrSiO4提高了其稳定性。引入SiC过渡涂层后,外涂层中的裂纹明显减少,涂层的抗氧化性能得到了提高,相比于涂刷法,包埋法制备SiC过渡涂层操作简单,对C/C损伤小,且更显著地提高了试样抗氧化性能。SiC纳米纤维除了加强内外涂层的结合,还缓解了热应力,并对涂层进行了增强增韧,进一步地提高了涂层的抗氧化性能。增加外涂层厚度可有效提高涂层的抗氧化性能,1300℃氧化60分钟后质量增加仅为0.24%。
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