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1、C／C复合材料高温抗氧化性的研究进展中国陶瓷工业2007年10月第14卷第5期CHINACERAMICINDUSTRYoct.2007Voi.14.No.5文章编号:1006—2874(2007)05一()()28—04C/C复合材料高温抗氧化性的研究进展任富建刘红娟沈毅(中国地质大学材料科学与化学工程学院,武汉:430074)摘要C/C复合材料高温氧化性限制了其在高温领域的更广泛应用.结合国内外近年关于C/C复合材料高温抗氧化性的研究报道.简要介绍了C/C复合材料氧化机理,从内部保护和外部涂层两个角度总结了今年来抗氧化性能的研究
2、结果,并提出了对C/C复合材料高温抗氧化性研究方向的一些看法.关键词C/C复合材料,抗氧化性,改性,涂层中图分类号:TQ174.75文献标识码:AC/C复合材料是由碳纤维或各种碳织物增强碳,或石墨化的树脂(或沥青)以及化学气相沉积(CVD)碳所形成的复合材料【l】,整个材料都是d碳元素组成,具有石墨材料的固有性能,还具有高弹性[21,良好的断裂韧性,抗磨损[4l,良导热等一系列优异性能,是具有特殊性能的新型工程材料.目前已广泛应用于宇宙飞船,人造卫星,航天飞机,原子能,汽车等工业部门,在生物医用方面也得到应用.但是上述许多性能只有
3、在惰性气氛下才能保持,C/C复合材料大都用于高温氧化环境,而其在较底温度的氧化环境下就会发生氧化.研究表明,作为高温结构材料,碳在370℃的有氧气氛中就开始氧化,温度高于500℃时迅速氧化,最综导致C/C复合材料发生毁灭性破坏【1州.因此C/C复合材料的有效氧化防护是其在高温氧化环境下应用首要解决的问题.目前C/C复合材料的抗氧化措施主要有两类:(1)内部保护,在C/C复合材料成型前就对碳纤维和碳基体进行改性处理,使它们本身具有较强的抗氧化能力,以及添加各种抗氧化剂来提高C/C复合材料的高温抗氧化性能.(2)外部涂层,通过在材料表
4、面进行各类涂层防止含氧气体接触扩散来提高C/C复合材料的高温抗氧化性能【l".作者就近年来这两类措施提高C/C复合材料抗氧化性的研究进行综述.2C/C复合材料氧化机理C/C复合材料的氧化机理通过近十几年的研究尚为形成统一的氧化理论.一般认为C/C复合材料中的杂质,晶格缺陷,以及在碳化,石墨化过程中产生的内应力使得碳材料中存收稿日期:2007—03—18基金项目:中国地质大学优秀青年教师资助计划(编号:CUGQNL0318)通讯联系人:任富建,男,E—mail:renfujian1984@163.com在一些活性点部位,这些部位易吸
5、附空气中的氧气,并在温度高于400℃时开始发生氧化反应【12】.P.L.Walker等1人提出更为具体的碳素材料的氧化机理:在温度低于600℃下,氧化过程由氧化气体与复合材料表面上活性点的化学反应控制;在600—800℃范围由化学反应控制向扩散控制转变,转变温度随碳素材料有较大的变化,主要南氧化气体的扩散决定;在高于转变温度下由氧化气体通过边界气体层的速度控制.机理表明氧化过程随温度变化而变化,在较低温度下氧化速率是由杂质和缺陷等因素决定的,而在较高温度下的氧化速率是由材料的氧扩散率决定的.C/C复合材料的高温氧化侵蚀顺序为:碳基
6、体表面一各向异性碳基体一各向同性基体碳一碳纤维的侧表面一碳纤维的末端一碳纤维的芯部".3内部抗氧化技术3.1碳纤维改性提高碳纤维质量,采用石墨纤维或抗氧化纤维,对碳纤维表面进行处理等都可以改善C/C复合材料的抗氧化性能.C/C复合材料的氧化多集中于碳纤维与基体的界面处【l51,碳纤维不同层次的界面与碳基体界面的结合状态随沉积工艺的改变而变化,进而影响C/C复合材料的各种性能.周蔚虹等采用对碳纤维毡体添加硼酸高温热处理的方法来改性碳纤维,硼易择优进入无序结构的碳中,即碳纤维的芯部,使得芯部晶粒尺寸增加,边缘碳原子等活性位的总数量减少
7、,以致在相同条件下,芯部与皮层的氧化程度相差不大,消除碳纤维的"皮芯结构".碳纤维的短小化可以提高同基体和添加剂的均匀化㈣,在碳纤维表面进行碳化硅涂层也可以提高C/C复合材料的抗氧化性能【l埘,但是碳化硅涂层只能保护碳纤维表面不被氧化,当碳纤维的横截面暴露时,碳纤维中国陶瓷工业2007年第5期芯会被迅速烧蚀.碳纤维的发展方向是:高性能化.通过设计更合理的微观结构和更先进的处理工艺来提高性能;二是低成本化㈣.3.2碳基体改性碳基体改性技术是通过向基体中添加抑制剂或密封剂封闭活性点来降低氧化速率,进而达到抗氧化的效果.它主要包括基体浸
8、渍和添加阻燃陶瓷颗粒两种途径.前者是向基体中浸渍氧化抑制剂,如硼酸盐,磷酸盐和卤化物等I"I;后者是在基质中复合添加耐火陶瓷材料颗粒,如BO.,B,SiC和B等.3,2.1基体浸渍法基体浸渍是将碳材料放入一定浓度的浸渍液中,通过物理浸渍处理后,在材
