Zr-Al(Si)-C改性C/SiC复合材料的强韧化机制与抗烧蚀机理

With the introduction of Zr-Al(Si)-C into SiC matrix, due to the special laminated structure, Zr-Al(Si)-C may be as the weak interphase in the matrix to enrich the toughening mechanism, and the oxidation product of Zr-Al(Si)-C can protect the inner material in the ablation process. So it is possible to improve the mechanical properties and ablation resistance of C/SiC by the introduction of Zr-Al(Si)-C. The present project aims to form Zr-Al(Si)-C and SiC matrix in porous C/SiC by the combined process of polymer infiltration and pyrolysis (PIP), and reactive melt infiltration (RMI). The formation and growth kinetics of Zr-Al(Si)-C in the RMI process will be revealed, and the effect of phase content and grain size of Zr-Al(Si)-C on the mechanical properties and ablation behavior of C/SiC composites will be studied. Based on the reactive melt infiltration, a new method to prepare Zr-Al(Si)-C modified C/SiC will be developed, and the strengthening, toughening and ablation mechanism of Zr-Al(Si)-C will be revealed. The results will be beneficial to enriching the fabrication method of Zr-Al(Si)-C, revealing the application potential of Zr-Al(Si)-C as ultra-high temperature ceramics.

当三元层状Zr-Al(Si)-C陶瓷弥散分布于SiC基体内部时，其特殊的片层状结构使其有望作为弱界面丰富基体的增韧机制，同时其氧化时所形成的高温氧化物能够有效阻挡高速燃气对材料的侵蚀，故而有望同时提高致密C/SiC的强韧性和抗烧蚀性能。本项目创新性地采用聚合物浸渍裂解结合反应熔体渗透法在多孔C/SiC内部原位自生Zr-Al(Si)-C和SiC，研究致密基体内部Zr-Al(Si)-C晶粒大小和相含量的控制机制及其对材料力学性能和抗烧蚀性能的影响。基于反应熔体渗透法，探索新型Zr-Al(Si)-C改性C/SiC的制备方法，揭示Zr-Al(Si)-C的强韧化机制和烧蚀机理。本研究的成果有助于拓展Zr-Al(Si)-C的制备途径，探索Zr-Al(Si)-C作为超高温陶瓷材料的潜力，丰富C/SiC复合材料的体系。

作为典型的热结构材料，如何实现C/SiC强韧化与抗烧蚀性能的协同是当前研究所面临的挑战。以Zr3Al3C5为代表的三元层状碳化物陶瓷，具有“强键”与“弱键”周期堆叠的结构，其在保留了对应二元碳化物高强度和模量的基础上，同时具有高损伤容限和抗烧蚀性能。因此，可通过在C/SiC内部原位生成三元层状陶瓷，以实现致密C/SiC强韧化与抗烧蚀性能的协同。本项目采用化学气相渗透结合反应熔体渗透工艺（Reactive melt infiltration，RMI）在C/SiC内部原位自生Zr3Al3C5，并研究了其微结构、力学性能与抗烧蚀行为。主要研究结果如下：.（1）通过RMI法制备了Zr3Al3C5基复相陶瓷，并揭示了生成机理。相较于Al熔体渗透，Al-Si合金渗透能够在更宽的条件下实现三元层状陶瓷的生成。对于Zr3Al3C5基复相陶瓷，纯Al与ZrC反应生成Zr3Al3C5的温度高达1600ºC，而Si的参与能够降低ZrC晶格的稳定性，促进形成孪晶，使得Zr3Al3C5在1200C即可生成。.（2）三元层状陶瓷改性能够明显提高C/SiC的损伤容限。高强度、高损伤容限的层状陶瓷基体填充了短切碳纤维层的大孔，使得C/SiC裂纹传播路径明显增加，充分发挥了纤维的承载能力，实现弯曲强度和断裂韧性的协同提升。.（3）揭示了改性复合材料在氧乙炔焰及激光烧蚀下的损伤机理。氧乙炔焰烧蚀条件下，Zr3Al3C5能够保持稳定，阻止氧化生成的高熔点ZrO2颗粒随高速气流迁移。ZrO2则进一步对烧蚀中心的Al-Si-O熔体起到钉扎作用，最终形成连续保护膜，对内部起到保护作用。激光烧蚀具有高的能量密度，中心温度极高，没有氧化性气体，因此在未改性C/SiC烧蚀最中心仅能观察到被严重侵蚀的碳纤维以及大量纳米层状碳，而在C/SiC-Zr3Al3C5烧蚀中心能够观察到层状陶瓷残留，从而表现出更好的抗激光烧蚀性能。