原位自蔓延反应诱导晶化低温制备C/SiC-ZrC复合材料及性能研究

Due to their high strength, excellent high temperature performances and high reliability, C/SiC composites, as thermal protection system components, have wide applications in aerospace fields. However, the applications of these composites under ultra high temperature conditions are limited because of the active oxidation of silicon carbide (SiC) above 1650℃. In order to improve the high-temperature performance of C/SiC composites, it is an effective way to introduce ultra high-temperature ceramics (UHTCs). The main focus of this proposed research is on the fabrication of C/SiC-ZrC composites by slurry infiltration, in-situ self-propagation synthesis reaction and PIP process, using Si and Zr as active fillers. Based on the modified slurry, the UHTCs skeleton can be formed and the C/SiC-ZrC composites with excellent high-temperature properties, ablation resistance performance is obtained though this low-temperature fabrication method. The high temperature properties and microstructure evolution of C/SiC-ZrC composites are deeply investigated. Also, the ablation behaviors and microstructural characteristics are studied. This project not only has important value for the development of C/SiC-ZrC composites applications as thermal protection systems components, it also has value as guidance for microstructure design of other UHTCs based composites.

SiC陶瓷基复合材料具有比强度高、高温性能优异以及可靠性高等优点，作为热结构件在航空航天领域具有广阔的应用前景。然而，由于SiC在高于1650℃的氧化性气氛中将发生主动氧化，导致C/SiC复合材料无法满足超高温领域的应用需要。利用超高温陶瓷相对C/SiC复合材料进行基体改性是提高其高温性能的有效途径。本项目拟通过添加Si、Zr活性组分，采用浆料浸渍、原位自蔓延反应结合后续PIP致密化工艺实现C/SiC-ZrC复合材料低温高效制备。研究制备过程中原位自蔓延反应机制、基体微观结构演化规律以及材料的力学、热学和抗烧蚀性能。在此基础上，实现对材料微观结构的调控，获得力学、抗烧蚀性能良好的C/SiC-ZrC复合材料。本项目的研究将为实现C/SiC-ZrC复合材料在超高温环境中的应用奠定基础，同时为其它超高温陶瓷基复合材料的设计提供借鉴。

本项目通过引入活性粉体浸渍浆料、自蔓延反应及后续PIP致密化工艺获得性能优良的C/ZrC-SiC复合材料。系统研究了浸渍浆料稳定性、自蔓延反应工艺参数、界面参数和后续致密化工艺对复合材料性能的影响。研究结果表明：在中性浆料中添加聚乙二醇分散剂含量达到6.25%时，浆料具有较好的稳定性，且易于浸渍，预成成型体中活性锆粉、硅粉与树脂裂解碳充分结合在一起。反应后，预制体的孔隙率有13.86%提升到28.80%，密度由1.97g/cm3下降至1.62 g/cm3，内部孔隙被打开连通成网络状结构。在这种网络结构基础上，通过PIP后续致密化与界面研究获得3D C/ZrC-SiC复合材料，材料具有优良的力学性能，弯曲强度＞300MPa，且基础物理性能可以设计。通过等离子体火焰考核了3D C/ZrC-SiC复合材料的抗烧蚀性能，结果表明：超高温陶瓷相含量、基体的致密程度和开口孔隙率对复合材料的抗烧蚀性能有决定性的影响。随着超高温陶瓷相含量的增加，在相同的测试条件下，材料耐烧蚀性能逐渐增强。基体致密的复合材料与其表面原位形成的以氧化产物ZrO2为骨架的SiO2铺展层的结合紧密，能够形成长效的SiO2补给通道，延缓逐层烧蚀的发生，从而提高复合材料的抗烧蚀性能。开口气孔率越高，等离子体化的氧进入材料内部的路径更多，以其强烈的反应活性，对材料的破坏程度也就越大。3D C/ZrC-SiC复合材料在烧蚀过程中，复合材料表面会形成以ZrO2为骨架的液相SiO2铺展层，对材料内部形成有效防护，但是材料能否长时间的抵抗烧蚀，依赖于复合材料内部是否可以形成长效SiO2补给通道。通过本项目的研究，为纤维增加超高温陶瓷基复合材料提供一条可行的制备路线，使该材料在超高温领域的具有广泛的应用前景。