Si-Zr-Si-Zr-B摻雜瀝青基炭材料及C-C-SiC-ZrC復(fù)合材料的研究.pdf

1、C/C復(fù)合材料憑借其優(yōu)異的熱性能和良好的高溫力學(xué)性能成為當(dāng)今最具潛力的高溫結(jié)構(gòu)材料。然而，C/C復(fù)合材料在450℃以上的有氧環(huán)境中開(kāi)始氧化，持續(xù)氧化會(huì)導(dǎo)致其性能顯著退化，限制其使用壽命和應(yīng)用環(huán)境。為進(jìn)一步提升其抗氧化性能，本論文以SiC前驅(qū)體（聚碳硅烷）、ZrC前驅(qū)體、ZrB2前驅(qū)體和二甲苯可溶煤瀝青為原料，通過(guò)低溫共裂解分別合成了Si-Zr和Si-Zr-B摻雜瀝青，后經(jīng)共炭化、冷壓成型以及高溫?zé)崽幚淼玫絊i-Zr-B摻雜瀝青基炭材料;

2、選用制備得到的Si-Zr摻雜瀝青為浸漬劑，經(jīng)過(guò)多次浸漬-熱處理得到C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料，采用XRD、SEM、EDS、TG-DSC等手段對(duì)所得試樣的物相組成、微觀結(jié)構(gòu)和抗氧化性能進(jìn)行了分析和表征，研究了熱處理溫度和陶瓷前驅(qū)體配比對(duì)Si-Zr和Si-Zr-B摻雜瀝青基炭材料抗氧化性能的影響，探討了C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料的高溫抗燒蝕機(jī)理。研究結(jié)果如下:
　　1.采用不同配比PCS、PZC和PZB與一定量瀝青二甲苯可溶物

3、混合溶解于二甲苯溶劑中，通過(guò)低溫共裂解合成了Si-Zr和Si-Zr-B摻雜瀝青。摻雜瀝青再經(jīng)共炭化、冷壓成型以及高溫?zé)崽幚矸謩e制得SiC和ZrC顆粒以及SiC、ZrC和ZrB2顆粒均勻彌散的瀝青基炭材料。
　　2.原料中PCS和PZC配比對(duì)Si-Zr摻雜瀝青基炭材料的抗氧化性能有重要影響。隨著試樣原料中PCS含量的逐漸降低，Si-Zr摻雜瀝青基炭材料的氧化失重率逐漸增大，當(dāng)原料中PCS和PZC質(zhì)量比為4∶1時(shí)，所制備的試樣（其熱處

4、理溫度為1600℃）具有較好的抗氧化性能，其在1500℃氧化4h，失重為28.3wt.％。這主要是由于在試樣表面形成了一層致密的SiO2玻璃態(tài)阻氧層，能有效降低氧化性氣氛向材料內(nèi)部擴(kuò)散的速率，提高其抗氧化性能。
　　3.原料中PCS、PZC和PZB配比對(duì)Si-Zr-B摻雜瀝青基炭材料的抗氧化性能有重要影響。隨著試樣原料中PCS含量的逐漸降低，Si-Zr-B摻雜瀝青基炭材料的失重率呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢(shì)，當(dāng)原料中PCS、PZC和PZ

5、B質(zhì)量比為1∶2∶1時(shí)，所制備的樣品（其熱處理溫度為1600℃）具有較好的抗氧化性能，其在1500℃氧化4h，失重為27.5wt.％，氧化深度0.7mm。這主要與試樣氧化后，在其表面形成一層致密、連續(xù)的SiO2-ZrO2-B2O3玻璃態(tài)阻氧層有關(guān)。
　　4.熱處理溫度對(duì)Si-Zr-B摻雜瀝青基炭材料的物相組成、微觀形貌和抗氧化性能具有較大影響，熱處理溫度過(guò)高或過(guò)低都不利于其抗氧化性能的提升。隨著熱處理溫度的升高，Si-Zr-B摻雜

6、瀝青基炭材料（其摻雜瀝青前驅(qū)體中PCS、PZC和PZB的質(zhì)量比為3∶2∶2）在1500℃的氧化失重率呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢(shì)，1600℃熱處理制備的試樣具有較好的抗氧化性能，其在1500℃氧化4h，失重為-14.6wt.％，氧化深度為0.4mm。這主要與在該溫度條件下前驅(qū)體能完全裂解成具有合適晶粒尺寸的無(wú)機(jī)陶瓷有關(guān)。
　　5.以制備得到的Si-Zr摻雜瀝青為浸漬劑，采用高壓PIP法制備了含有二元陶瓷相的C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料

7、。該方法制備的材料中，陶瓷相能夠充分填充多孔C/C復(fù)合材料的孔隙并在孔隙中均勻彌散，且貫穿于整個(gè)材料的厚度方向。
　　6.隨著浸漬劑中PZC含量的增加，經(jīng)氧-乙炔燒蝕測(cè)試，C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料的線燒蝕率和質(zhì)量燒蝕率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)混合前驅(qū)體中PCS與PZC的質(zhì)量比為1∶4時(shí)，C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料具有較好的抗燒蝕性能。其線燒蝕率和質(zhì)量燒蝕率分別為0.011mm·s-1和0.0009g·s-1。材料經(jīng)過(guò)8