PIP及RMI工艺制备耐烧蚀炭/炭复合材料及其性能研究

【摘要】摘要：随着固体火箭发动机、战略导弹、高超声速飞行器等技术的飞速发展,对极端苛刻的超高温工作环境下耐烧蚀材料的需求极为迫切。本文提出以炭／炭复合材料为基础材料,采用先驱体浸渍裂解法基体改性技术,以及首次将先驱体浸渍裂解法基体改性技术与反应熔融渗透法表面涂层技术相结合,制备了C/C-ZrC、C/C-ZrC-SiC、SiC涂层C/C-ZrC、SiC涂层C/C-ZrC-SiC四种不同体系的耐烧蚀炭／炭复合材料。采用等离子体焰对上述四种耐烧蚀炭／炭复合材料进行耐烧蚀性能考核,并对所制备材料烧蚀前后的宏观形貌、微观结构、物相组成及元素分布等做了较为系统的研究工作,探讨了复合材料高温下耐烧蚀防护机制。本工作的研究成果如下：(1)采用DSC-TGA、FTIR、XRD以及SEM等现代分析手段,研究了实验室自主合成的有机锆先驱体(POZ)以及有机锆先驱体—聚碳硅烷(POZ-PCS)的高温裂解行为。结果显示：POZ分子内有机基团在300℃开始脱落、裂解,当温度达到1600℃时,经裂解、碳热还原所得产物以碳化锆为主,当最终温度升高至2000℃时,产物为结晶性良好的碳化锆；先驱体POZ-PCS在900℃前基本完成无机化过程,当裂解温度升高至1400℃时,生成结晶性能较好的碳化硅和碳化锆复合陶瓷。(2)以POZ为先驱体通过PIP法基体改性技术制备了C/C-ZrC复合材料。该复合材料出现了一层由碳化锆陶瓷颗粒富集而成的外层结构,材料基体内部孔隙由碳化锆陶瓷小颗粒广泛填充,形成内部结构较为致密的碳化锆陶瓷改性C/C复合材料。C/C-ZrC复合材料在等离子体焰烧蚀试验过程中表现出了一定的耐烧蚀性能,其质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.023g/s和0.0091mm/s。(3)以POZ-PCS为先驱体通过PIP基体改性技术制备了C/C-ZrC-SiC复合材料。该复合材料表面出现了一层由碳化锆和游离碳颗粒组成的外层结构,材料基体内部孔隙由碳化锆和碳化硅陶瓷小颗粒广泛填充,形成致密的碳化锆-碳化硅陶瓷陶瓷改性C/C复合材料。与C/C-ZrC复合材料相比,C/C-ZrC-SiC复合材料在等离子体焰烧蚀试验过程中表现出了较佳的烧蚀性能,其质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.0092g/s和0.0068mm/s。(4)在PIP基体改性技术制备C/C-ZrC复合材料的基础上,结合RMI表面涂层技术,成功制备了SiC涂层C/C-ZrC复合材料。该复合材料表面形成了一层由结晶性良好的碳化硅陶瓷和较少量硅锆共熔相组成的致密的外层结构,材料基体内部孔隙由碳化锆陶瓷小颗粒广泛填充,形成内部结构较为致密的SiC涂层、ZrC基体改性C/C复合材料。SiC涂层C/C-ZrC复合材料在等离子体焰烧蚀试验过程中表现出了良好的耐烧蚀性能,其质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.0027g/s和0.0043mm/s。(5)在PIP基体改性技术制备C/C-ZrC-SiC复合材料的基础上,结合RMI表面涂层技术,成功制备了SiC涂层C/C-ZrC-SiC复合材料。材料表面出现了一层由结晶性良好的碳化硅和较少量碳化锆陶瓷组成的致密的外层结构,材料基体内部孔隙由碳化锆和碳化硅陶瓷小颗粒广泛填充,形成致密的SiC涂层、ZrC-SiC陶瓷基体改性C/C复合材料。SiC涂层C/C-ZrC-SiC在等离子体焰烧蚀试验过程中表现出了较为优异的耐烧蚀性能,材料经烧蚀后表面外观形貌较为完整,质量烧蚀率和线烧蚀率都相对较低,其质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.0026g/s和0.0037mm/s。
【作者】刘春轩；
【导师】黄启忠；陈建勋；
【作者基本信息】中南大学，材料学，2014，博士
【关键词】先驱体浸渍裂解法；反应熔融渗透法；碳化锆；碳化硅；超高温耐烧蚀材料；耐烧蚀性能；

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