论文部分内容阅读
超高温陶瓷及其复合材料具有极高的熔点（>3000℃）和优异的抗氧化烧蚀性能,被认为是高速飞行器热防护系统的重要候选材料。碳纤维具备优异的力学性能,“超高温陶瓷与碳纤维复合化”已逐渐成为国内外的发展趋势和研究热点。实现碳纤维增韧超高温陶瓷复合材料的强韧化与抗氧化协同是目前面临的关键科学问题,其中最为突出和紧要的难点在于:现有制备方法容易对碳纤维造成微结构损伤和性能退化、超高温陶瓷的引入难以实现组分和含量的大范围调控、陶瓷相与纤维难以实现双连续分布、形成的氧化层与基体材料之间结合性较差。本课题围绕上述问题,开展Cf/ZrC-SiC复合材料的强韧化与抗氧化性能研究,考察了热压制备的Cf/ZrC-SiC复合材料微结构与强韧化性能,提出了高频振动辅助注浆引入陶瓷的新方法,创新性地借助液相SiC前驱体的浸渍裂解补给,将3D Cf/ZrC-SiC的制备条件从1900℃以上/高压降低到1300℃/无压,研究了低温无压制备的3D Cf/ZrC-SiC复合材料微结构、强韧化、抗热冲击以及抗氧化烧蚀性能。研究了热压制备的ZrC-SiC、短切Cf/ZrC-SiC、层状Cf/ZrC-SiC以及3D Cf/ZrC-SiC复合材料微结构和强韧化性能。对Cf/ZrC-SiC复合材料进行解耦,分析了高温加压烧结过程中ZrC-SiC陶瓷的烧结致密化行为,阐明了SiC陶瓷颗粒的引入主要通过抑制ZrC晶粒长大、增强烧结活性来提升ZrC-SiC陶瓷的致密度、弯曲强度以及断裂韧性。通过球磨混合-放电等离子热压烧结制备了短切Cf/ZrC-SiC复合材料,短切碳纤维拔出长度有限,断裂韧性提升不明显(4.65±0.32MPa?m1/2)。利用辊压轧制-热压烧结实现了层状Cf/ZrC-SiC的制备,埋入基体中的纤维长度明显增大,纤维拔出和桥联的长度明显提升（>50μm）,沿纤维排布方向的断裂韧性提高至5～6MPa?m1/2,但是由于z向缺少碳纤维,制约了z向强韧化性能的发挥(断裂韧性为4.31±0.24MPa?m1/2)。采用浆料浸渍-热压烧结获得了3D Cf/ZrC-SiC,揭示了高温加压烧结过程中纤维化学腐蚀（颗粒腐蚀和表面腐蚀）、纤维表面陶瓷颗粒镶嵌以及z向纤维弯曲变形等微结构损伤形式和机理,提出抑制纤维结构损伤、提升复合材料强韧化性能的制备条件为小于1500℃/无压。开展了低温无压制备3D Cf/ZrC-SiC复合材料的微结构与强韧化性能研究。提出了高频振动辅助注浆引入陶瓷的新方法,将陶瓷以粉体的形式直接注入碳纤维编织体中,实现了陶瓷组分的高含量引入（>30vol.%）,相比于无振动辅助增加50%以上。在振动辅助注浆引入ZrC陶瓷的基础上,创新性地利用液相SiC前驱体的浸渍裂解,革新了超高温陶瓷复合材料传统的热压烧结制备方法,将制备条件从1900℃/高压降低到1300℃/无压,揭示了3D Cf/ZrC-SiC复合材料的低温无压烧结机制,原位裂解的纳米SiC陶瓷凭借其优良的烧结活性和优异的力学性能,在低温环境下有效填补ZrC陶瓷颗粒之间以及碳纤维编织体内的间隙,实现ZrC超高温陶瓷颗粒之间及ZrC超高温陶瓷与碳纤维之间的高强度粘结。在无界面层保护的条件下,低温无压制备新方法有效抑制了碳纤维的微结构损伤,在纤维拔出数量（成束）和纤维拔出长度（>200μm）等方面表现突出,断裂功（3046J/m2）和断裂韧性(11.12±1.25MPa?m1/2)实现了量级提升,同时弯曲强度和破坏应变分别达到313MPa和1.35%,解决超高温陶瓷材料本征脆性这一难题。考察了低温无压制备3D PyC-Cf/ZrC-SiC复合材料的力学-抗热冲击-抗氧化烧蚀性能。在PyC界面层的影响下,复合材料在弯曲强度表现良好的同时（251±27MPa）,破坏应变从1.35%增加至1.5～2%,断裂韧性得到进一步提升(13.05±1.72MPa?m1/2)。研究了3D PyC-Cf/ZrC-SiC复合材料从室温到1200℃不同温度下的抗热冲击性能,最大临界热冲击温差为875℃,较传统的陶瓷材料提升3倍以上。分析了3D PyC-Cf/ZrC-SiC复合材料的静态氧化行为以及动态抗氧化烧蚀性能,通过Zr B2浆料-液相SiC陶瓷前驱体的自然吸附和1300℃/无压裂解,与表面孔隙形成原位“钉扎”,实现了3D PyC-Cf/ZrC-SiC复合材料的表面致密化处理,在1800℃/300s氧乙炔考核环境下表现为近零烧蚀,真正意义上实现了强韧化与抗氧化协同,为超高温陶瓷复合材料工程化应用奠定了理论基础和技术支撑。