HfB2-HfC-SiC复相陶瓷改性C/C复合材料研究

HfB2-HfC-SiC composite ceramic will be introduced into C/C composits in order to improved the ultra-high temperature performance of C/C composites. Chemical vapor infiltration (CVI) process will be used to obtain C/C composites with controllable density. Precursor impregnation & pyrolysis (PIP) process using a completely mutually soluble precursor of polycarbosilane (source of SiC), novel polycarbohafniane and polyborohafniane (source of HfC and HfB2) will be adopted to achieve nano-dispersed HfB2-HfC-SiC composite ceramics matrix. The dependence of mechanical properites, thermophysical properties and ultre-high temperature ablation performance on the structure of carbon fiber preform, content of carbon fiber, textural structure of pyrocarbon, density of C/C composites as well as composition and microstructure of HfB2-HfC-SiC matrix will be investigated systematically. The ultra-high temperature ablation kinetics of modificed C/C composites will be elucidated. The ablation mechanics will also been discussed.

本项目采用化学气相沉积工艺结合前驱体浸渍热解工艺，将HfB2-HfC-SiC超高温复相陶瓷基体引入C/C复合材料内部，以期提升C/C复合材料在2200℃有限寿命使用的超高温服役性能。通过制备过程强化及工艺控制，控制HfB2-HfC-SiC复相陶瓷在C/C复合材料中的组成和分布，使HfB2、HfC、SiC陶瓷相在C/C复合材料内部呈纳米级均匀弥散分布；深入研究炭纤维预制体的结构、热解炭织构、C/C复合材料的密度、复相陶瓷基体的组成等因素对材料力学性能、热物理性能及超高温烧蚀性能的影响；阐明HfB2-HfC-SiC复相陶瓷改性C/C复合材料的超高温烧蚀动力学过程和烧蚀机理。通过本课题的研究，将为抗烧蚀C/C复合材料用于新型航天飞行器热端部件提供理论和技术支持。

本项目针对我国下一代航天飞行器高性能发动机的热端部件对高性能抗烧蚀C/C复合材料有限寿命使用的共性需求，开展了HfB2-HfC-SiC复相陶瓷改性C/C复合材料的制备、组成及微结构表征、性能测试与考核、烧蚀机理分析及烧蚀动力学建模等方面的基础研究。研究发现，化学气相渗透结合前驱体浸渍热解工艺是制备HfB2-HfC-SiC复相陶瓷改性C/C复合材料的合理工艺。C/C-HfB2-HfC-SiC复合材料中，100~200nm的HfB2和HfC基体相均匀弥散分布在连续的SiC基体相中，HfB2和HfC与SiC相的接触面积大幅增加，极大的提升了复相陶瓷基体的协同抗氧化抗烧蚀能力。复合材料在2300K高温电弧风洞实验中的线烧蚀率仅为1.7×10-4μm/s，较传统热结构复合材料的线烧蚀率至少低一个数量级。在烧蚀过程中，HfB2-HfC-SiC复相陶瓷基体可以原位生成液相SiO2和固相HfO2组成的复合氧化膜，两者协同作用可达到既抗氧化又抗烧蚀的效果，是C/C-HfB2-HfC-SiC复合材料具有优异抗烧蚀性能的主要原因。在上述试验研究的基础上，根据超高温烧蚀过程的考核特点和复合材料的烧蚀特性，在综合考虑复合材料与考核环境之间的热物理和热化学耦合作用的基础上，耦合能量传递、质量传递、动量传递和化学反应过程，建立了超高温复相陶瓷改性C/C复合材料的烧蚀动力学模型。该模型考虑了复合材料表面氧化膜的不同状态对陶瓷基复合材料烧蚀动力学过程的影响，发现当复合材料表面原位生成的氧化膜为致密状态时，氧化性气氛通过致密氧化膜的固相/液相扩散速率控制着烧蚀过程，烧蚀动力学过程遵循抛物线规律；当氧化膜被完全冲蚀掉时，氧化性气氛通过气相传质至反应界面层的速率控制着烧蚀过程，烧蚀动力学过程遵循线性规律；当氧化膜为多孔状时，氧化性气氛通过多孔氧化膜的气相传质(有贯穿孔洞的情况)或通过下层致密氧化膜的固相/气相扩散(无贯穿孔洞的情况)控制着烧蚀过程，烧蚀动力学过程是一种介于抛物线规律和线性规律之间的一种混合状态。上述研究结果对陶瓷基复合材料在超高温有限寿命领域的应用具有一定指导意义。