SiC纳米线增韧C/C-ZrB2-ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料高温抗氧化耐烧蚀性能与机理研究

To meet the increasing demand for light-weight and high-temperature structural materials that capable of operation over 2000 C for new generation rocket, high thrust loading aero-engine and near space vehicle application, and to further improve the bonding ability and thermal shock resistance of the self-healing protection film for C/C-ZrC-SiC composites. The ZrB2-ZrC-SiC ultra high temperature ceramics were introduced into C/C composites to optimize the composition and structure of the formed self-healing protection film and improve its performance. Meanwhile, SiC nanowires are added into the ZrB2-ZrC-SiC ceramic matrix to improve the bonding ability, thermal shock resistance and anti-scour ability of the self-healing protection film under cyclic thermal shock condition. Therefore, the service life of the C/C-ZrC-SiC composites under cyclic thermal shock oxidation and ablation environment can be extended via the above two proposals. The effect of SiC nanowires addition on structure and anti-oxidation and ablation properties of the C/C-ZrB2-ZrC-SiC composites will be investigated, and then the anti-oxidation and ablation mechanisms of the SiC nanowire toughened composites will be analyzed. Through the anti-oxidation and ablation tests under the cyclic thermal shock condition at high temperatures, the anti-oxidation and ablation mechanisms of the SiC nanowire toughened composites in cyclic thermal shock condition will be established, which will offer valuable suggestions and application foundation for C/C-ZrB2-ZrC-SiC composites served in cyclic thermal shock environment. The accomplishment of this project will also provide good foundation for fabrication and application of the C/C-ZrB2-ZrC-SiC composites that are used on new generation rocket, high thrust loading aero-engine and near space vehicle.

为进一步满足新一代火箭、高推比航空发动机、临近空间飞行器用轻质耐高温材料应用需求，针对C/C-ZrC-SiC复合材料烧蚀后氧化物保护膜抗热震性能差、易脱落等缺点，拟将ZrB2-ZrC-SiC超高温陶瓷引入到C/C复合材料中，以优化氧化物保护膜的结构与性能；同时将SiC纳米线引入到ZrB2-ZrC-SiC陶瓷基体中，以提高氧化物保护膜的结合、抗热震、抗冲刷能力，从而延长材料在动态循环条件下的使用寿命。通过SiC纳米线增韧对材料微观结构和抗氧化耐烧蚀性能影响规律研究，初步建立SiC纳米线增韧材料的抗氧化耐烧蚀机理与模型。针对材料在高温循环热震条件的抗氧化耐烧蚀性能考核，研究高温循环热震环境下，SiC纳米线增韧材料的抗氧化耐烧蚀机理模型，为材料在高温动态热震环境下的服役提供参考依据。通过项目实施，为新一代火箭、高推比航空发动机、临近空间飞行器用轻质耐高温热防护材料的制备与应用打下良好的技术基础。

为进一步满足新一代火箭、高推比航空发动机、临近空间飞行器用轻质耐高温材料应用需求，针对C/C-ZrC-SiC复合材料烧蚀后氧化物保护膜抗热震性能差、易脱落等缺点，将ZrB2-ZrC-SiC超高温陶瓷引入到C/C复合材料中，以优化氧化物保护膜的结构与性能；同时将SiC纳米线引入到基体中，以提高氧化物保护膜的结合、抗热震、抗冲刷能力。通过SiC纳米线增韧对材料微观结构和抗氧化耐烧蚀性能影响规律研究，揭示了SiC纳米线增韧对C/C-ZrB2-ZrC-SiC复合材料微抗氧化耐烧蚀性能影响规律，探明了高温长时间耐烧蚀条件下，SiC纳米线增韧C/C-ZrB2-ZrC-SiC复合材料的抗氧化耐烧蚀机理、材料微观结构演化机制。研究结果表明：ZrB2陶瓷相的添加能有效地降低C/C-ZrC-SiC复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率。一方面B2O3的升华会吸收大量的热量，从而缓解了热量对基体的氧化烧蚀。另一方面，熔融物流动性的提高有效地提高了氧化产物的黏附力，使得形成的保护膜具备了较好的自愈合抗氧化抗冲刷能力，从而有效地降低了材料的线烧蚀率与质量烧蚀率。与C/C-ZrB2-ZrC-SiC复合材料相比，SiC纳米网络的添加明显降低了C/C-ZrB2-ZrC-SiC复合材料的线烧蚀率，但是由于低熔点SiC纳米网络的存在，材料的质量烧蚀率明显增加。烧蚀过程中，SiC纳米线的添加导致形成了晶须增韧整体网络结构，能有效地降低烧蚀过程中陶瓷产物的剥落，提高保护膜的抗冲刷性与结合能力，从而促使材料表面形成了稳定完整的保护膜，有利于材料整体耐烧蚀性能的提高。随着烧蚀时间的延长，SiC纳米线增韧C/C-ZrB2-ZrC-SiC复合材料的线烧蚀率与质量烧蚀率呈现出明显不同的变化规律，材料的线烧蚀率随时间的延长逐渐增加，而质量烧蚀随时间延长逐渐降低。烧蚀初期，纳米线端部相互粘结形成了网络状立体结构，并能黏附陶瓷颗粒，随着烧蚀时间的延长，立体网络进一步形成多孔膜骨架，经高温燃气流的长时间冲刷及陶瓷相的自愈合修复，材料表面最终形成了网络互锁型强韧化保护膜。材料表面网络互锁性保护膜的形成能有效地提高保护膜与基体的结合能力、抗燃气冲刷能力及抗热震破坏的能力，从而使得材料具有优异的长时间耐烧蚀潜力。本项目取得的研究成果，为新一代火箭、高推比航空发动机、临近空间飞行器用轻质耐高温热防护材料的制备与应用打下良好的技术基础。