硼化物改性碳-碳復合材料基體及其性能研究.pdf

1、具有諸多優(yōu)良熱力學性能的碳/碳復合材料(C/C復合材料),被廣泛應用來制造高溫結構器件。但由于其在氧化氣氛中易氧化,使用時需要對其進行氧化防護。涂層技術不能在低溫段有效保護C/C復合材料,為提高其在整個溫度范圍內的防氧化性能,低溫基體改性技術得到了廣泛應用。本實驗中,嘗試性地采用了一種全新的溶膠/凝膠-溶劑熱浸漬改性工藝,即在液相溶膠前驅物中添加氧化抑制物形成的制劑來改性C/C復合材料。促使C/C基體的內部和外部表面結構發(fā)生改變,從而提

2、升基體在低溫段的防氧化能力。通過XRD、SEM、EDS、XPS等測試方法對改性后的C/C試樣進行了表征,根據獲得的改性試樣的表面、斷面處的相組成、顯微結構等信息以及氧化測試結果,分析和討了改性后C/C試樣的氧化失效機制以及氧化動力學行為。主要研究內容和結論如下所述:
　　 以硼酸三正丁酯(C12H27BO3)為原料,通過改變配比得到的硼酸鹽溶膠前驅物對C/C復合材料基體進行溶膠.凝膠/溶劑熱改性,研究了改性溫度和時間對C/C復合

3、材料的形貌及性能的影響。結果表明,在改性溫度80～160℃的范圍內,隨著溶劑熱溫度的上升,改性試樣的抗氧化性能先降低后增高;在12～60h的改性時間范圍內,改性時間延長,試樣的抗氧化性能逐漸上升。基體的氧化是由于少量B2O3的揮發(fā)以及氧氣的擴散氧化造成的。
　　 向溶膠前驅物中添加B2O3微粉改性后的C/C基體表面和內部缺陷被B2O3覆蓋和填充。隨著B2O3的加入量增加,延長改性時間并提高改性溫度,基體的抗氧化性能不斷提升。溶劑

4、熱溫度160℃、B2O3加入量10wt%、溶劑熱改性48h后的試樣在600℃的空氣中氧化22h后的失重僅為2.26%,B2O3的長時間揮發(fā)導致無法填充基體和涂層中的缺陷。改性后的C/C復合材料可在低于800℃有效保護C/C復合材料,改性后C/C基體低于650℃的氧化行為受O2,CO和CO2在B2O3保護層中的擴散速率控制;在650℃～800℃的氧化行為受O2在C/C基體表面缺陷處如孔洞、微裂紋等位置的擴散控制。
　　 向溶膠前驅

5、物中添加B4C微粉改性后的C/C基體表面和內部缺陷被B2O3和B4C覆蓋和填充。隨著B4C的加入量增加,延長改性時間并提高改性溫度,基體的抗氧化性能不斷提升。當溶劑熱溫度為140℃、B4C加入量15wt%、溶劑熱改性48h后的試樣在低于700℃的空氣中氧化20h沒有發(fā)生失重,在700℃氧化20h后的質量損失僅為1.36×10-2g/cm-2。由于B4C轉變?yōu)锽2O3后的揮發(fā)導致不能繼續(xù)有效填充涂層、基體的缺陷,導致C/C基體出現氧化失重