CVD铌与C/SiC复合材料界面结合机制研究

High performance C/SiC composite has a wide range and very important applications in aerospace, aviation, tubine gas powder station and other high technology fields. The basic research of the project will carry out around solving the problems existing in joining of C/SiC composite materials to different metals. Refractory metal niobium is prepared in C/SiC composite material surface by chemical vapor deposition (CVD) technology. The research of the project will concentrate on the preparation of niobium being of texture crystalline by CVD；the growth dynamics of the boundary layer between CVDNb and C/SiC composite at high temperature；investigating the microstructure, diffusion, atomic bonding states and reaction phase structure in the interface of CVDNb-C/SiC；studying the interface stess distribution and its influence on the formation and propagation of cracks by combining the experiment and theoretical calculation method. The main bonding mechanism between CVDNb and C/SiC composite will be estabished by researching the scientific problems mentioned above. The objective of this project is to to lay a solid foundation for solving the C/SiC composite joining technology for high temperature applications. The research will raise the ability to develop new type technique of joining metals to ceramics other than oxide in China and to perfect the theory system of the subject.

高性能C/SiC复合材料在航天航空、涡轮燃气电站和核能等高技术领域具有广泛和重要的应用，本项目围绕解决C/SiC复合材料与异类金属的连接问题而开展应用基础研究工作。采用化学气相沉积（CVD）技术在C/SiC复合材料表面沉积难熔金属铌，研究具有择优晶体取向铌组织的CVD可控制备；研究高温条件下CVD铌-C/SiC复合材料界面层的生长动力学规律；重点研究界面组织结构、界面扩散、界面原子的键合状态与反应相结构；采用模拟计算与试验相结合的方法，研究界面应力强弱、分布以及对界面裂纹的形成与扩展的影响规律。通过研究分析，确立CVD铌与C/SiC复合材料界面实现有效结合的主要因素。研究成果将为解决C/SiC复合材料连接的技术瓶颈及工程化应用奠定研究基础，项目研究可提升我国在高性能非氧化物陶瓷与金属连接领域的研究水平，同时对非氧化物陶瓷与金属连接学科领域的发展也将产生一定的积极意义。

C/SiC复合材料具有高比强度、耐高温、抗烧蚀及抗热震等性能特点，在航天航空等高技术领域具有广泛的应用前景，本项目围绕解决C/SiC复合材料与异类金属的连接问题而开展研究工作。采用化学气相沉积（CVD）技术在C/SiC复合材料表面沉积难熔金属铌，研究了铌的CVD沉积动力学、组织结构特征及力学性能，CVD铌/C/SiC界面组织结构、界面扩散、反应相结构，界面结合强度及应力分布等。重要研究结果：（1）获得了铌的沉积速率与沉积温度、氯气流量、氢气流量等参数的关联，建立了铌的CVD动力学规律；CVDNb由沉积形核的细晶区和沿沉积方向生长的具有明显择优取向的柱状晶组成；（2）在各种沉积条件下制备的CVDNb的室温抗拉强度262～336MPa，延伸率10～18%，密度8.48～8.61g/cm3。综合考虑材料的组织结构、沉积速率和性能等因素，确定了优化的CVD铌工艺；（3）沉积过程中CVDNb-C/SiC发生界面反应，生成Nb3Si、NbC和Nb5Si3相。随着热处理温度的升高，生成Nb2C新相，NbC相的含量增加；随着热处理时间的延长，Nb3Si相的衍射峰逐渐减弱直至消失；（4）CVDNb/C/SiC光滑界面的剪切强度为21.7MPa，在1200℃，热处理4h后剪切强度提高至37.75MPa；对界面结构进行优化设计，剪切强度达到108.71MPa；（5）采用X射线衍射和有限元模拟计算相结合的方法，获得了CVD铌-C/SiC复合材料的应力分布规律，实验结果与模拟计算结果符合较好；（6）影响CVDNb/C/SiC复合材料界面强度的主要因素包括界面元素扩散与反应和基体材料的组织结构变化。.研制的C/SiC复合材料CVD铌连接技术已通过新型武器发动机热试车验证，实现了工程应用；同时，研究成果对解决其他非氧化物陶瓷与金属连接问题提供了新的研究思路和技术方案。