C/SiC复合材料高温热辐射机理与性能调控研究

Radiative heat transfer is the main way of thermal transmission for C/SiC composites in servicing process, dependent on their high-temperature service environment. This research project aims at a thorough understanding of intrinsic mechanisms and influential factors of thermal radiative transmission of C/SiC composites, and effectively mastering tuning methods of thermal radiation, which is of great scientific relevance to improve performance effectiveness and advance practical applications. Starting from thermal radiation of each component, multi-component combination effects on that of C/SiC composites will be investigated by the gradual coupling method. Underlying mechanisms and influencing factors of thermal radiation of C/SiC composites will be researched by systematically studying multi-component structures, and surface coatings etc. Component-coupling principle and surface control mechanism of thermal radiation of C/SiC composites will be obtained. Based on these researches, feasible control of thermal radiative performances of C/SiC composites is expected to be realized through modifications of matrix and coatings by doping. The achievement of this project is contributed to correctly understanding of underlying mechanisms of thermal radiation of C/SiC composites in high-temperature environment. It will provide theoretical and experimental basis for optimal design of thermal radiation of C/SiC composites, and promote their further applications in thermal protection system fields.

C/SiC复合材料的高温服役环境，决定了辐射传热是其在服役过程中与外界进行热传递的主要方式。本项目旨在全面深入地理解和掌握C/SiC复合材料热辐射传输的内在机理和影响因素，掌握热辐射性能的调控方法。本项目将从C/SiC复合材料单一组元材料的热辐射性能研究入手，采用逐步叠加的方法，研究多组元对热辐射性能影响的复合效应，然后从多元结构、表面涂层等方面，对C/SiC复合材料热辐射特性的内在机制和影响因素进行系统研究，获得C/SiC复合材料热辐射性能的组元复合原理和表面控制机理。基于以上研究结果，通过研究基体和涂层掺杂改性对C/SiC复合材料热辐射性能的影响规律和机理，最终实现热辐射性能的调控。本项目的研究成果有助于准确理解C/SiC复合材料在高温环境中热辐射传输的内在机制，将为优化设计C/SiC复合材料热辐射性能提供理论基础和实验依据，有利于促进C/SiC复合材料在防热领域中的进一步应用。

C/SiC复合材料具有较低的密度和优异的高温性能，在航空航天等高温领域有着广阔的应用。全面深入地了解和掌握C/SiC复合材料热辐射传输的内在机理和影响因素，掌握热辐射性能的调控方法，对提高材料的使用效能、促进材料的应用有着非常重要的科学意义。本项目系统研究了C/SiC复合材料基本组元材料热辐射性能，以及复合材料预制体结构、表面涂层以及致密度等微结构演变对热辐射性能的影响机制，通过基体改性实现了C/SiC复合材料热辐射性能调控，明确了改性物质对复合材料热辐射性能的调控规律。获得的主要研究成果如下：.1. 碳纤维总发射率在1000-1600℃范围内随温度线性增长，光谱发射率随波长的波动增强。1600℃和1800℃热处理增强了碳纤维光谱发射率随波长的波动，降低了碳纤维的总发射率。PyC层降低了碳纤维的热辐射性能，而CNTs层使碳纤维的热辐射性能得到提高。.2. CVD SiC相比于HP SiC表现出更加明显的SiC剩余反射带特征。当SiC涂层厚度有限时，SiC涂层的热辐射性能随着石墨基底表面粗糙度的增加而降低。.3. 3DN C/SiC热辐射性能优于2D C/SiC。在C/SiC复合材料的致密化过程中，SiC相含量的变化是控制材料热辐射性能的关键因素。当SiC相含量高于C相时，材料的光谱发射率表现出明显的SiC发射率特征，同时热辐射性能出现明显增加。.4. 当SiC涂层厚度从20μm增加到100μm，C/SiC热辐射性能总体呈现出持续升高的趋势。随着表面粗糙度的降低，C/SiC复合材料热辐射性能逐渐减小。.5. 2000℃热处理后，C/SiC中β-SiC晶粒的长大和α-SiC含量的增多提高了材料的热辐射性能。.6. Si相和Si-B-C-N陶瓷对C/SiC复合材料热辐射性能有明显的提升作用。其中，Si相的引入对材料热辐射性能提升作用更显著。C相和Si-C-N陶瓷改性物质在低于1400℃起到降低C/SiC复合材料热辐射性能的作用，并且C相的引入对材料热辐射性能降低作用更显著。对四种基体改性试样沉积SiC涂层后，改性材料光谱发射率均表现出比较明显的SiC剩余反射带特征，并且减弱了改性效果。