碳纤维增强陶瓷基复合材料抗氧化涂层制备与性能研究

《碳纤维增强陶瓷基复合材料抗氧化涂层制备与性能研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1.课题来源及研究的背景和意义随着航天航空技术的快速发展，对新型超轻质、耐高温、抗氧化、低热导率、低膨胀系数的陶瓷基复合材料需求越来越迫切。如特种高速飞行器(如宇宙飞船、星际探测器、空天飞机等)要能够适应高超声速长时飞行、大气再入和跨大气层飞行等极端环境，特别是高声速飞行器耐高温部位(如鼻锥、机翼前缘)关键部位o不但要承受1800C以上的高温，还要求具有低密度、低热导率、抗氧化、抗热震等综合特性。传统材料已经不能满足新型高声速飞行器的要求，而纤维增强复合材料可以满足以上要求，其中碳纤维增强陶瓷基复合材料被认为是航空航天用高温结构材料的

2、技术制高点之一，是一个国家先进飞行器和武器材料设计和制造的[1]能力体现。1993年12月至1995年10月，美国国防部实施了总投资1000万美元低[2]成本陶瓷复合材料计划，目标是发展用作高温结构件的陶瓷基复合材料的低成本制备技术。碳纤维增强陶瓷基复合材料在高温拥有良好的力学性能和热性能，o惰性条件下，可以在超过2000C的环境中仍保持强度、模量等力学性能不降低，热膨胀系数低、热导率高、气化温度高、抗热震性好。近年来研究学者们发现硼改性硅烷裂解制备的Si-C-O-X陶瓷具有更高的组织稳定性，在1400-1700℃空气中的抗氧化性能优于SiC和Si3N4，高温抗蠕变性能随着时间

3、的延长逐渐得到提高，该类材料已经成为陶瓷材料领域研究的热点和重点。轻质耐高温绝热陶瓷oSi-O-C陶瓷是理想的隔热材料，通过先驱体转换法制备的Si-O-C陶瓷在1700C氧[3]化环境下很好地能够保持外形和强度。由于有碳原子的加入，Si-O-C陶瓷的力[4-6]学性能、高温稳定性、化学稳定性均明显优于石英陶瓷。Cf/Zr-B复合材料是比Cf/Si-O-C复合材料性能更加优异的碳纤维增强陶瓷基复合材料，其基体材料不含O原子，能避免与增强相碳纤维在高温下发生碳热还原反应。然而碳纤维表面存在着一些晶格缺陷及材料制备过程中内应力引起缺陷造成的活性点，空气条件o[7]下，这些活性点将在超

4、过400C时发生氧化，极大地限制了碳纤维增强陶瓷基复合材料的应用。因此，研究碳纤维增强陶瓷基复合材料的抗氧化涂层，提高碳纤维增强陶瓷基复合材料高温下的抗氧化性是目前碳纤维增强陶瓷基复合材料的迫切任务。1.2.国内外在该方向的研究现状及分析1.2.1.Cf/Zr-B复合材料的氧化机理o作为Cf/Zr-B复合材料作为增强相的碳纤维，在高于400C的有氧环境下，-1-万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文由于碳纤维表面缺陷引起的活性点极易发生氧化，从而造成材料失效，同时作为基体部分ZrB2、ZrO2、SiC本身虽然具有良好的抗氧化性能，但是在高温下氧化生成的ZrO2、SiO2、ZrS

5、iO4玻璃相会降低碳纤维与基体材料的结合强度，同样也使材料失效。Cf/Zr-B复合材料的基体材料包覆着短切碳纤维，但是碳纤维轴向和径向热膨胀系数相差很大，高温下，当温度急剧上升或者急剧下降时，由于碳纤维与基体材料热膨胀系数失配引起的热应力达到一定阈值后将使碳纤维与基体材料发生松脱分离，这将为氧气与碳纤维接触提供通道，同时，作为轻质多孔材料的Cf/Zr-B复合材料孔隙率达到40%，高孔隙率也为氧气进入材料内部，通过基体材料制备过程中产生的缺陷与碳纤维接触进而发生氧化反应提供了可能，因此提高Cf/Zr-B复合材料的抗氧化能力具有非常重要的意义。为了选择合适的抗氧化方法，首先需要对C

6、f/Zr-B复合材料的氧化动力学进行研究，通常认[8]为影响Cf/Zr-B复合材料氧化的动力学因素主要如下：(1)氧化性气体在涂层微裂纹与基体内部缺陷产生的孔隙扩散；(2)氧化性气体与碳纤维接触并向其活性部分扩散；(3)氧化性气体与碳纤维反应生成气体，复合材料性能降低甚至失效。[9]F.Lamouroux认为碳纤维增强陶瓷基复合材料的氧化机理主要分为扩散控制和反应控制两种。扩散控制的氧化过程是碳纤维按照分布在复合材料位置由外o到内依次被氧化，高温环境下(>1300C)反应速度远远大于扩散速度，氧化过程主要是扩散控制；反应控制的氧化过程是复合材料内部的所有碳纤维同步发生氧o化，低

7、温环境下(<900C)或者高孔隙率材料氧化过程主要是反应控制。Cf/Zr-B复合材料是多孔材料，氧化性气体通过材料孔隙扩散至材料内部，不同温度下氧[10]化反应速度和气体扩散速度不一样，这也决定了复合材料的氧化形式。付前刚o认为温度在400C左右时碳纤维氧化反应速度较慢，气体扩散速度决定氧化程oo度，整个材料的碳纤维同步氧化；随着温度的升高(450C～600C)，氧化反应加剧，氧化性气体在孔隙入口处消耗较多，进入孔隙内部的气体减少，内部氧化量o减少；当温度高于600C时，氧化性气体几乎都在材