碳纤维增强SiOC陶瓷气凝胶界面构筑及高温稳定性与机理的研究

Lightweight thermal insulation material is the trend of thermal protection technique. This project intends to construct the interface between carbon fiber and aerogel through the preparation of multi-scale SiC-SiOC ceramic layer on carbon fiber, and reveals the formation process of the interface and the formation mechanism of the coatings. Based on thermodynamic calculation, the introduction of heterogeneous metallic elements (Al and Zr) was used to improve the thermal stability of aerogel under high temperature environment via a solvothermal method. The stability mechanism and the evolution of high-temperature structure were investigated. The fine control of carbon fiber reinforced SiOC ceramic aerogel components and microstructure can be realized through the optimization of combined processes using negative pressure/high pressure and ultrasonic/vibration technique. The thermal insulation mechanism and evolution of carbon fiber reinforced SiOC aerogel at high temperature were revealed. Besides, the relationship between components, microstructure and thermal insulation performance of the composites were also investigated. Thus，a thermal insulation with lightweight, excellent insulation and thermal stability properties of carbon fiber reinforced SiOC aerogel thermal insulation material which can apply in more than 1500°C can be obtained.

轻质防/隔热一体化复合材料是新型热防护技术发展的重点之一。本研究针对碳纤维增强SiOC陶瓷气凝胶界面结合及高温稳定性不足的技术难题，拟通过碳纤维表面多尺度SiC-SiOC复合陶瓷涂层的制备，实现碳纤维与气凝胶界面的构筑，揭示界面形成过程及涂层形成机理；基于热力学计算，采用液相合成法引入异质金属元素（Al、Zr）提高气凝胶在高温环境下的热稳定性，阐明异质元素的稳定机制及高温结构演变规律；通过负压/高压-超声/振动等组合工艺的优化，实现碳纤维增强SiOC陶瓷气凝胶组分、微结构的精细调控；揭示碳纤维增强SiOC气凝胶高温结构演变规律及隔热机理，阐明组分、微结构与复合材料隔热性能之间的关系。为获得适用于1500°C及以上具有轻质、优异隔热及热稳定性能的碳纤维增强SiOC陶瓷气凝胶防/隔热一体化材料提供新思路及理论支撑。

轻质防/隔热一体化复合材料是新型热防护技术发展的重点之一。本研究针对碳纤维增强SiOC陶瓷气凝胶界面结合及高温稳定性不足的技术难题，通过碳纤维表面多尺度SiC-SiOC复合陶瓷涂层的制备，实现碳纤维与气凝胶界面的构筑，揭示了界面形成过程及涂层形成机理；基于热力学计算，采用液相合成法引入异质金属元素（Al、Zr）提高气凝胶在高温环境下的热稳定性，阐明了异质元素的稳定机制及高温结构演变规律；与纯SiOC陶瓷相比，SiAlOC陶瓷中没有SiC相的生成。形成的莫来石相提高了SiOC陶瓷的热稳定性及其碳热还原反应发生的温度，并且随着Al/Si比的增加，陶瓷产率降低，莫来石相增加，SiO2相减少。Zr元素的引入会抑制体系中SiC的形成，促进Si-C键的断裂，从而降低体系中SP3自由碳的含量，导致大量的ZrO2纳米颗粒分散在SiOC网络结构中，同时Zr元素的引入，会减少体系中SiO2的形成。与纯SiOC陶瓷相比，SiZrOC陶瓷在高温空气气氛下表现出优异的热稳定性。.通过负压/高压-超声/振动等组合工艺的优化，实现了碳纤维增强SiOC陶瓷气凝胶组分、微结构的精细调控；揭示碳纤维增强SiOC气凝胶高温结构演变规律及隔热机理，阐明组分、微结构与复合材料隔热性能之间的关系。本中以甲基三甲氧基硅烷和二甲基二甲氧基硅烷为前驱体制备SiOC前驱体陶瓷，通过热重分析和物相分析得知SiOC陶瓷在800℃左右完成无机化，且在裂解温度高于1300℃时有SiC晶体生成。本文研究了SiC的生长机理和硝酸铁催化剂浓度对涂层形貌的影响，以及裂解温度对裂解产物的影响。当裂解温度为1300℃时，碳纤维表面形成不同形貌的SiC涂层；当硝酸铁催化剂浓度为1%时，碳纤维表面原位生长SiC纳米线。Cf/SiC/SiOC复合材料的压缩强度结果表明，碳纤维表面的SiC颗粒涂层使复合材料在x/y方向和z方向的压缩强度分别增加了49%和158%，SiC纳米线涂层使压缩强度分别增加了116%和179%。为获得适用于1500°C及以上具有轻质、优异隔热及热稳定性能的碳纤维增强SiOC陶瓷气凝胶防/隔热一体化材料提供新思路及理论支撑。