碳/碳复合材料低温抗氧化微波溶剂热改性新技术研究

陶瓷涂层碳/碳复合材料以其优异的力学和高温抗氧化性能成为非常重要的高温结构材料，被广泛应用于航空航天领域。然而，涂层碳/碳复合材料在600-800℃的低温段氧化限制了其在具有温度梯度的燃气冲刷严酷环境下的长时间使用。本项目拟使用正硅酸乙酯、磷酸等为溶剂，纳米硅化硼、碳化硼等为氧化抑制剂，采用一种新颖的微波溶剂热法对碳/碳复合材料进行基体改性，提高其在低温段的抗氧化能力。研究微波溶剂热改性过程中填充液配方体系、抑制剂粒度、微波功率、溶剂热温度、压力、时间等工艺条件对碳/碳复合材料内部和表面组成、显微结构、物化状态、抗氧化和力学性能的影响，摸索提高碳/碳复合材料在低温段防氧化能力的最佳改性工艺和改性过程中物理化学变化所涉及的热力学及动力学机理。研究所改性复合材料在静态和动态环境下的氧化行为和氧化抑制剂作用机理。为进一步提高碳/碳复合材料在燃气冲刷气氛全温度段范围内的抗氧化能力提供新方法和思路。

采用一种新颖的微波溶剂热法对碳/碳复合材料进行基体改性，提高其在低温段的抗氧化能力。研究了在微波溶剂热改性碳/碳复合材料的工艺过程中，在不同工艺条件下对碳/碳复合材料内部和表面组成、显微结构、物化状态、抗氧化性能的影响，并研究了碳/碳复合材料在低温段防氧化能力的最佳改性工艺和改性过程中物理化学变化所涉及的热力学及动力学机理。研究了所改性复合材料在静态环境下的氧化行为和氧化抑制剂作用机理。研究发现：在B2O3与B4C的加入比例为2:1，溶剂热时间为48h，溶剂热温度为140℃时得到的试样的抗氧化性能最优。并且在B2O3-硼酸盐溶胶体系下微波溶剂热改性C/C基体，改性后C/C基体在650℃以下的氧化活化能为183.7kJ/mol；在B4C-硼酸盐溶胶体系下，微波溶剂热改性C/C基体，改性后C/C基体在低温段（600~800℃）和中温段（800~900℃）的氧化激活能分别为164.2kJ/mol和78.5kJ/mol，其氧化行为控制过程分别受控于O2，CO和CO2在C/C复合材料表面覆盖的B2O3-B4C层中的扩散速率。在高温风洞条件下的研究表明：改性后的C/C复合材料经过216h的氧化后，在燃气条件下的试样的氧化失重仅为14.88%，温度梯度分布以及燃气成分对改性后C/C复合材料有很大的影响。