耐超高温Cf/ZrC复合材料低温熔渗反应动力学及纤维基体界面控制研究

碳纤维增强碳化锆（Cf/ZrC）陶瓷基复合材料具有优异的耐高温、抗氧化、抗冲蚀性能，可以在1900~2200℃富氧环境中稳定使用，有望成为继Cf/SiC复合材料后新一代高温热结构材料。本项目充分借鉴C/SiC复合材料的熔渗反应制备工艺，开创性地提出以C/C材料为基材，液态金属Zr为渗剂，采用熔渗反应法制备C/ZrC复合材料，同时为降低工艺温度（Zr熔点1855℃），减小碳纤维的高温损伤，对金属Zr进行合金化处理，降低其液化温度，实现Cf/ZrC复合材料的低温制备。.项目重点探索Cf/ZrC低温熔渗反应制备过程中的科学问题，研究低温熔渗反应动力学以及合金熔体对碳纤维的损伤机制，最终获得理想的熔渗反应工艺参数，以及碳纤维-基体界面控制方法，制备出性能优异的新型、耐超高温Cf/ZrC复合材料，为其后续工程制备及应用打下理论与实验基础。

项目针对高超音速飞行器对耐超高温结构材料的迫切需求，开创性地提出以多孔C/C复合材料为基材、金属锆合金为渗剂，采用熔渗反应工艺制备耐超高温抗氧化的Cf/ZrC复合材料，重点研究材料制备过程中的反应动力学以及纤维基体界面等基础科学问题。. 通过对金属Zr进行了合金化处理，使渗剂液化温度从1855℃降到1025℃，不仅缩减了工艺成本同时还降低了碳纤维的高温损伤，实现了Cf/ZrC复合材料的低温制备；在理论分析的基础上，采用树脂浸渍-裂解工艺制备得到具有理想结构的多孔Cf/C复合材料；开展了低温熔渗反应动力学研究，对熔体/基体润湿性及影响因素、浸渗过程中熔体的受力情况及与孔隙结构的关系进行了分析，为RMI法制备C/ZrC复合材料提供了理论指导；评估了金属熔体对碳纤维的侵蚀破坏，提出了碳纤维-基体界面控制方法，显著提高了复合材料的力学性能；研究了工艺温度、时间对材料组成、结构及性能的作用规律，总结了RMI法制备C/ZrC复合材料的最佳工艺条件；探讨了ZrC的形成及生长机理，得出ZrC的生长受溶解-析出与扩散机制联合控制。项目研究结果为Cf/ZrC复合材料的工程应用奠定了基础。