可控微结构ZrC/C/C多相复合材料及其烧蚀性能研究

A novel MC/C/C multiphase composite is raised in this item, which focuses on the delicate microstructure design and then the ablation property control by adjusting the shape and dispersion morphology of MC phase. Concretely, ZrC/C/C multiphase composites with excellent ablation properties have been fabricated that appeases the conflict between chemical erosion and mechanical denudation of traditional C/C doped with granulated ZrC, resorting to introducing ZrC nanowires into C/C composites by microwave-hydrothermal method and in-situ synthesis. According to the ablation characteristics of C/C composite, the item designs and then controllably introduces ZrC nanowires with different shapes and dispersion morphologies respectively into the fiber/matrix interface and the carbon matrix by adjusting technological parameters, which maximizes the ablation properties of ZrC/C/C multiphase composites. This research is meaningful to realize the slight ablation damages and to greatly improve the ablation properties of C/C composites.

提出一种MC/C/C多相复合材料微结构精细化设计的思路：难熔金属碳化物形态及难熔金属碳化物纳米线分布的控制。本项目通过微波水热和原位合成技术将ZrC纳米线引入C/C材料中制备ZrC/C/C多相复合材料，克服了传统方法引入ZrC颗粒的缺点，有效协调和平衡材料化学侵蚀与机械剥蚀之间的矛盾，从而实现ZrC/C/C多相复合材料的微烧蚀。提出ZrC/C/C多相复合材料微结构的精细化设计，通过调控微波水热参数，实现ZrC纳米线形貌、分布的可控，针对复合材料中纤维－基体界面、碳基体不同部位的烧蚀机理，设计不同的碳化物纳米线分布结构，发挥出碳化物纳米线的最大增强潜能，从而提高ZrC/C/C多相复合材料的烧蚀性能。该项研究有望取得C/C复合材料抗烧蚀性能的新突破，对解决C/C材料微烧蚀技术屏障具有重要意义。

炭/炭（C/C）复合材料良好的抗烧蚀性能是先进飞行器热端部件的安全性和可靠性的重要保障，而炭基体中引入难熔金属碳化物可使C/C具备更好的抗烧蚀性能。通过控制难熔碳化物在基体中的含量、形态和分布使C/C材料同时具备优异的抗热化学侵蚀和机械剥蚀性能。通过微波水热、炭的致密化工艺和热处理等结合的工艺实现了ZrC晶须粉体的制备，分析了ZrC晶须在多孔C/C预制体中的生长行为。在抗烧蚀性能方面，主要研究了热处理后ZrO2纳米线的转变特点和分布特征对抗烧蚀性能的影响；碳纤维表面化学气相浸渗SiC界面层对C/C-ZrC抗烧蚀性能的影响；对比研究了液相ZrC和SiC前驱体浸渗热解结合炭的致密化制备的C/C-ZrC和C/C-ZrC-SiC复合材料的弯曲性能和抗烧蚀性能。在ZrC晶须粉体的制备方面，以ZrOCl2•8H2O，NiCl2•6H2O，NaOH和NaF为原材料，以蔗糖为炭源，C与Zr的摩尔比为5/1时，处理温度为1500℃时，得到的产物纯净度高，晶须具有大的长径比且数量较多，其生长机制为奥斯特瓦尔德熟化机制和固-液-固机制。在炭纤维预制体中，ZrC晶须主要分布在纤维之间的间隙中且垂直于纤维轴向生长，生长方向为 晶向。pH为13的Zr离子前驱体在碳纤维预制体中经过微波水热处理后获得了ZrO2纳米线，其直径在200-500nm，长度为5 μm。经过碳的致密化和热处理后，形成的ZrC晶粒尺寸保持在亚微米且在基体中实现了均匀分布，在热流密度4.18MW/m2的氧-乙炔焰烧蚀后，比其他pH值的前驱体制备的C/C-ZrC具有更好的抗烧蚀性能，主要归结为均匀分布的亚微米ZrC更容易氧化生成ZrO2层，能够抑制碳纤维和碳基体的氧化。对于C/C-ZrC-SiC，化学气相浸渗的SiC作界面时，在超高温条件下SiC会被完全消耗掉，导致疏松的ZrO2生成，这一结构会恶化C/C-ZrC-SiC的抗机械剥蚀能力。对比C/C-ZrC和C/C-ZrC-SiC的弯曲性能和不同热流密度下的抗烧蚀性能发现，相比于C/C-ZrC-SiC，C/C-ZrC具有更高的弯曲强度和在热流密度2.38 MW/m2焰流下更好的抗烧蚀性能，C/C-ZrC烧蚀后表面形成的ZrO2具有致密且完整的结构；在热流密度4.18 MW/m2的焰流烧蚀后，C/C-ZrC-SiC在抗机械剥蚀方面则优于C/C-ZrC。