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如果在高溫情況下使用碳碳復合材料會怎么樣?
碳/碳復合材料,即碳纖維增強碳基體復合材料, 具有高比強度、高比模量、熱膨脹系數(shù)低、抗熱震和 耐燒蝕性能好等一系列優(yōu)良的物理化學性能,而且在較寬的溫域范圍內(nèi)擁有較好的抗蠕變性能和較高的強度保留率。
隨著航天航空技術的不斷發(fā)展,飛行器的服役環(huán)境也愈加的嚴苛,對碳/碳復合材料高溫苛刻環(huán)境下的耐燒蝕性能提出了更高的要求,提高碳/碳復合材料的耐燒蝕性能現(xiàn)已成為研究領域的熱點。將超高溫陶瓷引入到碳/碳復合材料體系內(nèi),制備出超高溫陶瓷改性碳/碳復合材料,研究結果表明可以有效地提高碳/碳復合材料的耐燒蝕性能。超高溫陶瓷改性碳/碳復合材料的制備工藝大致分為兩種:
①前驅(qū)體浸漬裂解法;
②反應熔滲法。
1 前驅(qū)體浸漬裂解法
前驅(qū)體浸漬裂解法又被稱為前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法。具體步驟大致如下:將碳/碳材料預制體置入一定溫度和壓力下的浸漬容器中,加入浸漬液使之滲入到碳/碳材料內(nèi)部的空隙中,固化交聯(lián),隨后在惰性氣氛保護下進行高溫裂解,使先驅(qū)體浸漬液轉(zhuǎn)化為陶瓷相,經(jīng)過數(shù)次循環(huán)“浸漬-裂解”過程,最終制備出超高溫陶瓷基改性復合材料。經(jīng)過研究人員的不懈努力,現(xiàn)已制備出ZrC改性C/C復合材料、HfC改性C/C復合材料和復相陶瓷改性C/C復合材料。
楊鑫等制備出ZrC質(zhì)量分數(shù)為26.46%的 C/CZrC復合材料,進一步探究了燒蝕時間對復合材料燒蝕性能的影響,試驗結果表明:經(jīng)GJB 323A-96氧乙炔焰燒蝕標準20s測試后,樣品的質(zhì)量和線燒蝕率分別為3.3mg/s和12μm/s,與未引入ZrC陶瓷相的C/C復合材料相比分別降低了50% 和7.6%;同樣條件下對樣品進行50s的燒蝕,質(zhì)量和 線燒蝕率分別為2.2mg/s和5.2μm/s。當燒蝕過程較短時,C/C-ZrC 復合材料表面形成的 ZrO2 保護膜不連續(xù)、不致密,氧化性氣體極易擴散到基體的內(nèi)部與炭反應,隨著燒蝕過程的延長,生成的ZrO2 保護膜逐漸的趨于連續(xù)和致密,有效地降低了氧化性氣體向內(nèi)部擴散的速度,并且熔融態(tài)的氧化物保護層還能進一步填充材料表面的凹坑和裂紋等缺陷。
李春等利用 HfOCl2 ·8H2O 作為HfC陶瓷相的先驅(qū)體浸漬液制備出C/C-HfC復合材料,對試樣的機械性能、熱膨脹系數(shù)、熱導率和耐燒蝕性能進行了研究,結果表明:HfC陶瓷相的引入提高了復合材料的導熱系數(shù)和耐燒蝕性能,當HfC的含量為6.5 wt% 時,材料表現(xiàn)出最優(yōu)的導熱系數(shù)和耐燒蝕性能。
李克智等采用混合的 ZrC 和SiC先驅(qū)體浸漬液制備出C/C-ZrC-SiC復合材料,并研究了三種C/C預制體起 始密度對最終C/C-ZrC-SiC復合材料燒蝕性能的影響,結果表明:采用密度為1.21 g/cm3 的C/C預制體進行PIP工藝,最終的C/C-ZrC-SiC復合材料燒蝕性能最好。