碳-碳復(fù)合材料抗氧化微波水熱改性工藝研究.pdf

1、高性能碳/碳(C/C)復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，是目前世界上先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。C/C復(fù)合材料在使用中的一個(gè)嚴(yán)重不足是氧化侵蝕，在空氣中C/C復(fù)合材料在400℃左右即開(kāi)始氧化，隨著使用溫度的升高，性能受到嚴(yán)重影響。因此防氧化成為C/C復(fù)合材料高溫有氧氣氛下應(yīng)用的前提條件。大量研究表明，基體改性方法是提高復(fù)合材料在低溫階段抗氧化性能的有效手段。本研究探索性的采用一種新的基體改性方法-微波水熱過(guò)程，重點(diǎn)研究了微波水熱工藝

2、參數(shù)對(duì)改性后復(fù)合材料表面及斷面物相組成、微觀結(jié)構(gòu)和抗氧化性能的影響。采用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能量色散譜儀(EDS)、X射線光電子能譜(XPS)及熱重-差熱(TG-DSC)對(duì)改性后試樣進(jìn)行了表征。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下。
　　 以磷酸為填充液與改性劑，采用微波水熱方法，主要研究了微波水熱反應(yīng)溫度、時(shí)間對(duì)改性C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及抗氧化性能的影響。研究結(jié)果表明：復(fù)合材料的抗氧化性能在120-210℃的水

3、熱改性范圍內(nèi)隨著溫度的升高而提高；經(jīng)4h水熱處理后材料的抗氧化性能達(dá)最佳。改性后試樣的抗氧化性能相對(duì)未改性的C/C復(fù)合材料抗氧化效果明顯增加。
　　 在磷酸中添加Al2O3粉體對(duì)C/C復(fù)合材料進(jìn)行微波水熱改性，研究表明，改性后復(fù)合材料表面覆蓋了一層涂層，該涂層由玻璃態(tài)的H3PO4或HPO3和Al(PO3)3組成。在120-200℃的微波水熱處理范圍內(nèi)，復(fù)合材料隨著處理溫度的升高，改性后試樣的抗氧化性能明顯變好。在200℃，40-

4、120min的水熱處理范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)100min處理的試樣抗氧化性能達(dá)到最佳，在600℃的空氣氣氛中氧化10h后的氧化失重率僅為1.3％，相對(duì)未改性的試樣(氧化失重率為20.9％)抗氧化性能提高了16倍。在700℃左右生成的環(huán)狀A(yù)l(PO3)3結(jié)構(gòu)更有利于提高復(fù)合材料的抗氧化性能。
　　 添加B4C的硼酸溶液微波水熱改性C/C復(fù)合材料，重點(diǎn)研究了B4C的含量及氧化溫度對(duì)改性C/C復(fù)合材料氧化性能的影響。在一定的氧化溫度下，B4C含

5、量高于9wt％時(shí)，改性后復(fù)合材料有較好的抗氧化性能。在600-700℃溫度區(qū)間內(nèi)，改性后復(fù)合材料的抗氧化性能綜合最好。溫度較低時(shí)氧化速率主要受B4C本身轉(zhuǎn)化為玻璃態(tài)B2O3的速度影響，溫度較高時(shí)，B2O3的揮發(fā)性及高溫下B2O3的粘度對(duì)抗氧化性能產(chǎn)生重要影響。
　　 以磷酸、B4C和Al2O3為原料，采用微波水熱法對(duì)C/C復(fù)合材料基體進(jìn)行了抗氧化改性。結(jié)果表明：改性后復(fù)合材料表面覆蓋了一層由熔融態(tài)的H3PO4或HPO3、B2O3