漿料浸漬法制備C-SiC-ZrB2(ZrC)復合材料工藝與性能研究.pdf

1、高超聲速飛行器端頭和機翼前緣等部位需要在超高溫氧化氣氛的苛刻環(huán)境中工作，對高溫結構材料的耐溫性能、抗氧化性能和抗燒蝕性能提出了更高要求。本文采用漿料浸漬工藝制備具有明顯梯度結構的連續(xù)纖維增強超高溫陶瓷基復合材料，以充分發(fā)揮超高溫陶瓷的高溫性能和碳纖維增強體的增韌作用。研究了漿料組成、浸漬工藝等對復合材料梯度結構與性能的影響，分析了復合材料的力學性能、高溫抗氧化、抗燒蝕性能。本研究主要內容包括：
　?、叛芯苛藵{料的穩(wěn)定性和流動性與漿

2、料組成的關系，確定了穩(wěn)定性和流動性較好、可以滿足后續(xù)復合材料制備的漿料配比分別為：mPCS：mXylene：mSiC=1:1:0.3（SC-15）、1:1:0.6（SC-30）、1:1:0.9（SC-45）；mPCS：mXylene：mZrB2=0.8:1.2:0.1（ZB-5）、0.8:1.2:0.2（ZB-10）、0.8:1.2:0.4（ZB-20）；mPCS：mXylene：mZrC=0.8:1.2:0.1（ZC-5）、0.8:1

3、.2:0.2（ZC-10）、0.8:1.2:0.4（ZC-20）。
　?、铺剿髁私n工藝對C/SiC復合材料制備工藝、組成和性能的影響。分別采用真空袋—加壓浸漬工藝與真空—加壓浸漬工藝制備得到C/SiC復合材料，前者制備復合材料前三輪浸漬效率較高，經過三輪浸漬，復合材料密度即可達到1.58g/cm3（相當于復合材料最終密度的85％）。真空袋——加壓浸漬制備的三種試樣 SC-15、SC-30和SC-45的彎曲強度分別為389.8MP

4、a、368.4MPa和351.9MPa，密度分別為1.82g/cm3、1.85 g/cm3、1.84 g/cm3，碳纖維體積分數(shù)在40%左右，SiCp的體積分數(shù)分別為10.27%、13.88%、18.74%，SiC基體的體積分數(shù)分別為18.63%、16.75%、12.86%，材料中孔隙率都在29%左右；而真空—加壓浸漬制備的試樣的彎曲性能分別為410.8MPa、397.0MPa和344.5MPa，復合材料密度分別為1.84 g/cm3、

5、1.88 g/cm3、1.85 g/cm3，碳纖維體積分數(shù)在40%左右，SiCp的體積分數(shù)分別為9.84%、14.35%、18.87%，SiC基體的體積分數(shù)分別為19.69%、15.75%、13.02%，材料中孔隙率也都在29%左右；兩種工藝制備的復合材料結構和性能差別不大。但是真空袋—加壓工藝復雜，浸漬漿料存在嚴重的浪費，因此后續(xù)的實驗選用真空——壓力浸漬工藝。同時，對C/SiC復合材料的密度梯度和孔隙率分布情況進行了研究，結果表明材

6、料表面1mm厚度區(qū)域存在明顯的密度梯度和孔隙梯度，復合材料內側的密度梯度和孔隙率梯度都不明顯，因此認為粉體的有效浸漬深度為1mm。
　?、茄芯苛藵{料中ZrB2p含量對C/SiC-ZrB2復合材料制備工藝、結構和性能的影響。隨粉體含量的提高，試樣的密度、基體中SiC的含量和彎曲強度降低，復合材料中的超高溫陶瓷粉體、孔隙率升高、高溫抗氧化性能和抗燒蝕性能提高，彎曲強度依次為438.6MPa、417.9MPa、386.7MPa，密度分別

7、為1.89g/cm3、1.97g/cm3、1.94g/cm3，碳纖維體積分數(shù)在42%左右，ZrB2p的體積分數(shù)分別為4.05%、6.57%、9.36%，SiC基體的體積分數(shù)分別為36.07%、32.26%、26.95%，材料中孔隙率分別為17.07%、19.56%和22.59%。1600℃氧化20min后，質量保留率達96.99%，強度保留率達到0.4%。氧乙炔焰燒蝕過程中，質量燒蝕率達0.0030g/s，線燒蝕率達0.0047mm/s

8、。結合切口的SEM和EDS分析了C/SiC-ZrB2內部超高溫陶瓷粉體的梯度分布情況，結果表明大量超高溫陶瓷粉體富集于復合材料表面，形成了比較致密的殼層，復合材料內部超高溫陶瓷含量很低。對比分析了氧化前后試樣表面和斷口的形貌，復合材料氧化過程中生成了流動性較好的ZrO2-B2O3-SiO2玻璃體，在復合材料表面鋪展，阻止了材料內部進一步被氧化。
　?、瓤疾炝藵{料中ZrCp含量對C/SiC-ZrC復合材料制備工藝、結構和性能的影響。

9、隨粉體含量的提高，試樣的密度、基體中SiC的含量和彎曲強度降低，復合材料中的超高溫陶瓷粉體增多，高溫抗氧化性能和抗燒蝕性能提高，彎曲強度依次為431.1MPa、416.2MPa、378.4MPa，密度分別為1.96g/cm3、2.01g/cm3、2.12g/cm3，碳纖維體積分數(shù)在43%左右，ZrCp的體積分數(shù)分別為4.31%、6.34%、8.96%，SiC基體的體積分數(shù)分別為31.83%、29.73%、27.88%，材料中孔隙率分別為

10、19.44%、21.02%和20.96%。1600℃氧化20min后，質量保留率達96.08%，強度保留率達到78.6%。氧乙炔焰燒蝕過程中，質量燒蝕率達0.0025g/s，線燒蝕率達0.0017mm/s。結合切口的SEM和EDS分析了C/SiC-ZrC內部超高溫陶瓷粉體的梯度分布情況，結果表明大量超高溫陶瓷粉體富集于復合材料表面，形成了比較致密的殼層，復合材料內部超高溫陶瓷含量很低。對比分析了氧化前后試樣表面和斷口的形貌，復合材料氧化