碳纤维增强陶瓷基复合材料抗氧化涂层制备与性能研究

摘要

短切碳纤维骨架增强陶瓷基复合材料具有耐高温、抗热冲击、低密度以及防/隔热一体化特点，在航天飞行器热防护系统中具有广泛的应用前景。由于碳纤维增强体的本身抗氧化性能较差，限制了其在高温长时间有氧环境下的应用。因此，优化设计和制备低密度碳纤维增强骨架增强陶瓷基复合材料高效的高辐射和抗氧化涂层，将大大拓展新型热防护材料的应用范围并大幅度提升材料的高温热-力学和抗烧蚀性能。本文根据基体Cf/Zr-B复合材料的性能特点，设计并成功制备了单层SiC涂层和ZrB2基复合涂层两种涂层体系，并对其微观组织、高温热物理和力学性能及高温氧化和烧蚀性能进行了系统研究。
　　利用包埋法和料浆法成功制备了SiC涂层，结果表明包埋法难以在高孔隙率的Cf/Zr-B复合材料上制备出均匀完整的SiC涂层；以B2O3·SiO2玻璃为粘结剂的料浆法可以制备出均匀、致密的SiC涂层，并且在1300℃温度下空气环境中氧化60min后，涂层规整无裂纹，内部基体材料保持完整，无被氧化迹象。
　　为了进一步提高涂层的耐温性，采用料浆法制备 ZrB2基复合涂层，组分包括ZrB2、MoSi2和B2O3·SiO2玻璃。系统研究了各制备工艺参数对复合涂层组织结构和性能的影响，结果表明：一步烧结制备工艺可以避免多步烧结制备工艺引起的涂层分层现象；1400℃保温20min制备的涂层致密度高、与基体材料连接性好，1400℃氧化9h后增重5.00％，具有最优异的抗氧化性能；微氧气氛烧结的涂层可以缓和涂层与基体热失配引起的热应力，抗氧化性能优于有氧气氛烧结的涂层。
　　ZrB2基复合涂层处理后试样的压缩强度从1.25MPa提高到1.87MPa，经过1400℃氧化试验5h后，试样的压缩强度下降为1.17MPa，仍保持原试样93.6%的压缩强度；热冲击测试显示涂层在室温至1400℃热震测试9次后表现出良好的抗热震性能，涂层保持完整，内部基体材料未发现被氧化迹象；该涂层体系在在较大波段范围内具有较高的发射率，其中在2.5μm～4.2μm、16.1μm～25.0μm波段涂层具有大于0.8的高发射率；高频等离子电弧风洞试验表明：ZrB2基复合涂层可以在焓值19.8 MJ/Kg，热流1.5MW/m2，时间为600s的极端环境中有效地保护基体材料，涂层具有优异的抗氧化性能，烧蚀后 ZrB2基复合涂层外形保持完整，无裂纹和分层现象出现。

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第1章 绪论

1.1. 课题来源及研究的背景和意义

1.2. 国内外在该方向的研究现状及分析

1.3. 本文的选题依据和研究内容

第2章 实验过程与研究方法

2.1 涂层体系设计方法

2.2 实验原材料及试剂

2.3 实验设备

2.4 实验方法

2.5 涂层表征及分析测试

第3章 Cf/Zr-B复合材料制备及SiC涂层研究

3.1 Cf/Zr-B复合材料制备与性能研究

3.2 SiC涂层制备及微观形貌、性能研究

3.3 本章小结

第4章 ZrB2基复合涂层的微观组织和性能优化

4.1 涂层组分设计

4.2 涂层制备及其工艺影响

4.3 本章小结

第5章 ZrB2基复合涂层高温性能和烧蚀行为

5.1 涂层的抗热震性能测试

5.2 涂层处理对试样压缩强度的影响

5.3 涂层的发射率

5.4 高频等离子电弧风洞试验

5.5 本章小结

结论

参考文献

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