AlSiB-ZrC-C/C耗散防热复合材料的制备及烧蚀性能研究
发布时间：2021-03-05 22:28
本文通过先驱体浸渍裂解和压力浸渗两种方法联合,采用耗散防热的设计理念,制备了不同密度、不同碳纤维预制体类型的耗散防热复合材料。采用碳碳复合材料高温抗氧化的常用基体改性化合物—ZrC及耗散防热设计思路中常用的AlSiB三元合金作为协同的耗散剂,研究两种化合物协同作用下复合材料的烧蚀性能。同时针对耗散剂浸渗前后复合材料弯曲强度、压缩强度和弯曲模量的变化研究了耗散剂对复合材料力学性能的影响;通过材料分析测试方法对耗散防热复合材料烧蚀前后的物相组织,微观形貌分析研究,针对烧蚀产物、温度等烧蚀试验的特征来推理烧蚀过程材料微观组织演变、烧蚀行为,结合烧蚀反应热力学动力学阐明耗复合材料耐烧蚀机理。对基体抗烧蚀性能、耗散剂类型、碳纤维预制体类型和烧蚀方向等因素进行控制变量比较分析对烧蚀性能的影响。通过先驱体浸渍裂解法引入Zr元素,压力浸渗法浸渗Al、Si、B合金,两种方法对碳碳复合材料浸渗穿透,浸渍液与耗散剂在基体中沿着纤维束和孔隙均匀分布,AlSiB耗散剂以Al、Si、B单质形式存在,Zr元素以单斜、四方两种氧化锆和ZrC形式存在,浸渗AlSiB耗散剂的复合材料的弯曲强度提升16.85%-38.81...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热沉式防热的基本模型
和由二者热性能不匹配造成的热应力，在钨铜复合材料基础上延伸出具有梯度结构的新型钨铜功能材料。一侧是高导电、导热和优异塑性的铜；高熔点、高硬度的钨作为材料的背面；材料中部是具有梯度变化的钨铜过渡层[7]。工艺流程有两步，首先钨铜胚体可通过粉末冶金制，第二步是将含铜量较高、热导率较大的坯体装嵌进含量较少的坯体，便可制得具有热应力缓释的梯度功能材料。飞行器燃气舵为追求轻量化特点，用金属钼或者更轻的高温陶瓷取代部分钨作为渗铜骨架，在保持性能的同时降低材料密度是当前燃气舵发展主要方向之一[8]。图1.2几种典型的难熔金属高温强度[9]高蠕变强度的钽合金也有许多应用，因其低热膨胀系数、较强的抗热震性能和良好的塑韧性国外对于其研究颇多，航天飞船的燃烧室及其他耐热零部件和导弹鼻锥已有Ta-10W合金的应用，目前材料服环境达2500℃，同时可应用在燃烧室和飞行器喷管的燃气扰流片[10]。由于在500℃以上易被氧化这个缺点，目前侧重于对其表面抗氧化涂层的研究，现在欧美研究的Hf-Ta、Mo-Pd等多元难熔金属涂层抗氧化性耐氧时间都得到提高。轻质的铌合金焊接性能好，还具有良好低温塑性。目前国外对于高热强铸造铌合金有涉及，而国内侧重对低密度的C-103和Nb52合金的研发，满足了飞行器
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-图1.33D-C/SiC表面形貌[22](a)无涂层热震前；(b)无涂层热震后；(c)有涂层热震前；(d)有涂层热震后JamesW[23]等人成功制备了ZrB2基超高温陶瓷，其独特的纤维独石结构使得临界热冲击温差愈近1400℃。这比起普通材料提升了250%。研究表明材料表面裂纹可以通过材料进行预氧化来弥合，采用低热导、低换热系数氧化物的增强相等方法均有助于改善材料的抗热冲击性能。同时细化晶粒尺寸和改进烧结工艺提高致密度都能提升材料力学性能，使其高温条件力学和稳定性提高。1.2.3碳碳复合材料C/C复合材料是碳基体和碳纤维组成的复合材料，碳纤维编织或机织预成型制成碳纤维预制体，再使用液相浸渍或化学气相沉积(CVI)方法来使其致密，包括制备加固和稠化过程。粗糙碳层的石墨化度高对烧蚀性能有利，热解碳也比树脂基体烧蚀抗性高[24]。主要制备流程如图1.4[25].C/C复合材料因其轻质，耐热性好，极小的热膨胀率化学稳定性好被广泛应用在高温环境中，而且相比石墨和其他碳材料，强度更高的同时兼具塑韧性和优异的抗冲击性能；但其缺点也十分明显，温度超过450°C就易于与氧气反应，高温抗氧化性较差[26]，碳碳复合材料氧化后质量减轻，本来多孔材料结构遭到侵蚀，氧气更易进入内部持续破坏材料碳纤维剥离脱落降低材料的性能，造成严重后果。
【参考文献】：
期刊论文
[1]C/C复合材料孔隙结构的研究进展[J]. 樊凯,卢雪峰,吕凯明,钱坤. 材料导报. 2019(13)
[2]碳纤维增强复合材料微观烧蚀行为数值模拟[J]. 李伟,方国东,李玮洁,王兵,梁军. 力学学报. 2019(03)
[3]超高温陶瓷基复合材料制备与性能的研究进展[J]. 齐方方,王子钦,李庆刚,王志,史国普,吴俊彦,李金凯. 济南大学学报(自然科学版). 2019(01)
[4]钨钼渗铜材料力学性能及金相组织研究[J]. 吴伟. 中国钼业. 2018(02)
[5]热解碳对先驱体浸渍裂解3D-Cf/SiC复合材料性能影响[J]. 秦琅,罗瑞盈. 中国陶瓷工业. 2018(01)
[6]空天飞行器用热防护陶瓷材料[J]. 陈玉峰,洪长青,胡成龙,胡平,李伶,刘家臣,刘玲,龙东辉,邱海鹏,汤素芳,张幸红,周长灵,周延春,朱时珍. 现代技术陶瓷. 2017(05)
[7]先驱体浸渍裂解法制备三维C/C-HfC复合材料及其烧蚀性能[J]. 薛亮,苏哲安,杨鑫,黄启忠. 新型炭材料. 2017(03)
[8]热防护用轻质烧蚀材料现状与发展[J]. 薛华飞,姚秀荣,程海明,张幸红,刘兆晶. 哈尔滨理工大学学报. 2017(01)
[9]Cf/ZrC-SiC复合材料抗氧化烧蚀性能研究[J]. 郭倩,朱时珍,乔亚男,刘玲,马壮. 稀有金属材料与工程. 2015(S1)
[10]超高温陶瓷复合材料的研究进展[J]. 张幸红,胡平,韩杰才,孟松鹤,杜善义. 科学通报. 2015(03)
博士论文
[1]三维编织C/C复合材料高温力学行为及寿命预测模型研究[D]. 陈波.南京航空航天大学 2018
[2]防热复合材料烧蚀行为的数值模拟[D]. 杨德军.兰州理工大学 2013
硕士论文
[1]C/C-AlSiB耗散防热复合材料的制备及性能研究[D]. 孙家琪.哈尔滨工业大学 2018
[2]Al25Si-C/C耗散防热复合材料的设计制备及性能研究[D]. 刘硕.哈尔滨工业大学 2017
[3]Al25Si-xMo/（C/C）耗散防热材料的设计制备及性能研究[D]. 曲桉彤.哈尔滨工业大学 2017
[4]超轻质碳/酚醛复合材料的烧蚀行为和仿真预报研究[D]. 万涛.哈尔滨工业大学 2017
[5]Gr/Al-Si耗散防热材料的设计制备及性能研究[D]. 王梦得.哈尔滨工业大学 2016
[6]Al-Si（Zr）/Gr耗散防热复合材料的性能和耐烧蚀机理研究[D]. 高福刚.哈尔滨工业大学 2014
[7]高硅氧/酚醛复合材料体积烧蚀条件下的热—力—化学多物理场耦合分析[D]. 李林杰.哈尔滨工业大学 2014
[8]Al20Si/Gr耗散防热材料氧—乙炔和发动机燃烧室烧蚀性能研究[D]. 李冰清.哈尔滨工业大学 2011
[9]C/C复合材料烧蚀行为的数值模拟[D]. 杨德军.兰州理工大学 2011
[10]Gr/Al-Mg复合材料抗热震与抗烧蚀性能研究[D]. 姜鹤.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3065975
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热沉式防热的基本模型
和由二者热性能不匹配造成的热应力，在钨铜复合材料基础上延伸出具有梯度结构的新型钨铜功能材料。一侧是高导电、导热和优异塑性的铜；高熔点、高硬度的钨作为材料的背面；材料中部是具有梯度变化的钨铜过渡层[7]。工艺流程有两步，首先钨铜胚体可通过粉末冶金制，第二步是将含铜量较高、热导率较大的坯体装嵌进含量较少的坯体，便可制得具有热应力缓释的梯度功能材料。飞行器燃气舵为追求轻量化特点，用金属钼或者更轻的高温陶瓷取代部分钨作为渗铜骨架，在保持性能的同时降低材料密度是当前燃气舵发展主要方向之一[8]。图1.2几种典型的难熔金属高温强度[9]高蠕变强度的钽合金也有许多应用，因其低热膨胀系数、较强的抗热震性能和良好的塑韧性国外对于其研究颇多，航天飞船的燃烧室及其他耐热零部件和导弹鼻锥已有Ta-10W合金的应用，目前材料服环境达2500℃，同时可应用在燃烧室和飞行器喷管的燃气扰流片[10]。由于在500℃以上易被氧化这个缺点，目前侧重于对其表面抗氧化涂层的研究，现在欧美研究的Hf-Ta、Mo-Pd等多元难熔金属涂层抗氧化性耐氧时间都得到提高。轻质的铌合金焊接性能好，还具有良好低温塑性。目前国外对于高热强铸造铌合金有涉及，而国内侧重对低密度的C-103和Nb52合金的研发，满足了飞行器
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-图1.33D-C/SiC表面形貌[22](a)无涂层热震前；(b)无涂层热震后；(c)有涂层热震前；(d)有涂层热震后JamesW[23]等人成功制备了ZrB2基超高温陶瓷，其独特的纤维独石结构使得临界热冲击温差愈近1400℃。这比起普通材料提升了250%。研究表明材料表面裂纹可以通过材料进行预氧化来弥合，采用低热导、低换热系数氧化物的增强相等方法均有助于改善材料的抗热冲击性能。同时细化晶粒尺寸和改进烧结工艺提高致密度都能提升材料力学性能，使其高温条件力学和稳定性提高。1.2.3碳碳复合材料C/C复合材料是碳基体和碳纤维组成的复合材料，碳纤维编织或机织预成型制成碳纤维预制体，再使用液相浸渍或化学气相沉积(CVI)方法来使其致密，包括制备加固和稠化过程。粗糙碳层的石墨化度高对烧蚀性能有利，热解碳也比树脂基体烧蚀抗性高[24]。主要制备流程如图1.4[25].C/C复合材料因其轻质，耐热性好，极小的热膨胀率化学稳定性好被广泛应用在高温环境中，而且相比石墨和其他碳材料，强度更高的同时兼具塑韧性和优异的抗冲击性能；但其缺点也十分明显，温度超过450°C就易于与氧气反应，高温抗氧化性较差[26]，碳碳复合材料氧化后质量减轻，本来多孔材料结构遭到侵蚀，氧气更易进入内部持续破坏材料碳纤维剥离脱落降低材料的性能，造成严重后果。
【参考文献】：
期刊论文
[1]C/C复合材料孔隙结构的研究进展[J]. 樊凯,卢雪峰,吕凯明,钱坤. 材料导报. 2019(13)
[2]碳纤维增强复合材料微观烧蚀行为数值模拟[J]. 李伟,方国东,李玮洁,王兵,梁军. 力学学报. 2019(03)
[3]超高温陶瓷基复合材料制备与性能的研究进展[J]. 齐方方,王子钦,李庆刚,王志,史国普,吴俊彦,李金凯. 济南大学学报(自然科学版). 2019(01)
[4]钨钼渗铜材料力学性能及金相组织研究[J]. 吴伟. 中国钼业. 2018(02)
[5]热解碳对先驱体浸渍裂解3D-Cf/SiC复合材料性能影响[J]. 秦琅,罗瑞盈. 中国陶瓷工业. 2018(01)
[6]空天飞行器用热防护陶瓷材料[J]. 陈玉峰,洪长青,胡成龙,胡平,李伶,刘家臣,刘玲,龙东辉,邱海鹏,汤素芳,张幸红,周长灵,周延春,朱时珍. 现代技术陶瓷. 2017(05)
[7]先驱体浸渍裂解法制备三维C/C-HfC复合材料及其烧蚀性能[J]. 薛亮,苏哲安,杨鑫,黄启忠. 新型炭材料. 2017(03)
[8]热防护用轻质烧蚀材料现状与发展[J]. 薛华飞,姚秀荣,程海明,张幸红,刘兆晶. 哈尔滨理工大学学报. 2017(01)
[9]Cf/ZrC-SiC复合材料抗氧化烧蚀性能研究[J]. 郭倩,朱时珍,乔亚男,刘玲,马壮. 稀有金属材料与工程. 2015(S1)
[10]超高温陶瓷复合材料的研究进展[J]. 张幸红,胡平,韩杰才,孟松鹤,杜善义. 科学通报. 2015(03)
博士论文
[1]三维编织C/C复合材料高温力学行为及寿命预测模型研究[D]. 陈波.南京航空航天大学 2018
[2]防热复合材料烧蚀行为的数值模拟[D]. 杨德军.兰州理工大学 2013
硕士论文
[1]C/C-AlSiB耗散防热复合材料的制备及性能研究[D]. 孙家琪.哈尔滨工业大学 2018
[2]Al25Si-C/C耗散防热复合材料的设计制备及性能研究[D]. 刘硕.哈尔滨工业大学 2017
[3]Al25Si-xMo/（C/C）耗散防热材料的设计制备及性能研究[D]. 曲桉彤.哈尔滨工业大学 2017
[4]超轻质碳/酚醛复合材料的烧蚀行为和仿真预报研究[D]. 万涛.哈尔滨工业大学 2017
[5]Gr/Al-Si耗散防热材料的设计制备及性能研究[D]. 王梦得.哈尔滨工业大学 2016
[6]Al-Si（Zr）/Gr耗散防热复合材料的性能和耐烧蚀机理研究[D]. 高福刚.哈尔滨工业大学 2014
[7]高硅氧/酚醛复合材料体积烧蚀条件下的热—力—化学多物理场耦合分析[D]. 李林杰.哈尔滨工业大学 2014
[8]Al20Si/Gr耗散防热材料氧—乙炔和发动机燃烧室烧蚀性能研究[D]. 李冰清.哈尔滨工业大学 2011
[9]C/C复合材料烧蚀行为的数值模拟[D]. 杨德军.兰州理工大学 2011
[10]Gr/Al-Mg复合材料抗热震与抗烧蚀性能研究[D]. 姜鹤.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3065975
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